[논문 리뷰] The flavour of supersymmetry: Phenomenological implications of sfermion mixing

Miguel Arana‐Catania|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 스퍼미온 혼합의 현상학적 영향을 조사하며, 비대角 스퍼미온 질량 항이 희귀 B-메손 붕괴, 힉스 보손 질량 보정 및 렙톤 flavor 위반(LFV)에 미치는 영향에 초점을 맞춘다. 스쿼크 및 스레프톤 섹터에서 일반적인 flavor 혼합을 고려한 1-루프 계산을 통해, 이러한 혼합이 분해비율과 힉스 질량 예측에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 보여주며, B-물리학 및 LFV 탐색 결과로부터 강력한 제약을 받는다.

ABSTRACT

We study the phenomenological implications of sfermion flavour mixing in supersymmetry in the context of Non-Minimal Flavour Violation (NMFV). We study the general flavour mixing hypothesis, parametrizing the squark and slepton mass matrices by a complete set of delta^XY_ij (X,Y=L,R; i,j= t,c,u or b,s,d for squarks/1,2,3 for sleptons). With respect to the squark sector, we study the behaviour of the B-physics observables BR(B -> Xs gamma), BR(Bs -> mu+ mu-) and delta M_B_s and update the constraints to the delta parameters coming from them. We present one-loop corrections to the Higgs boson masses in the MSSM with NMFV in the squark sector, and taking into account the previous constraints we evaluate them, finding sizable corrections, exceeding sometimes tens of GeV for the light Higgs boson. These corrections might be used to set further constraints on the delta parameters from the Higgs boson mass measurement. With respect to the slepton sector, we explore the implications on charged lepton flavour violating (LFV) processes. The present upper bounds on the most relevant LFV processes and the recent LHC and (g-2)_mu data lead to updated constraints on all slepton flavour mixing parameters. We also study the LFV Higgs decays h,H, A -> tau mu considering the relevant types of slepton mixing (LL23, LR23, RL23, RR23) in the context of a heavy SUSY with a scale into the multi-TeV range. These observables present a non-decoupling behaviour with mSUSY, and are shown here to remain constant as mSUSY grows, for large mSUSY> 2 TeV values and for all the mixings considered. We show that all the three channels could be measurable at the LHC even in these heavy SUSY scenarios, being h -> tau mu the most promising one, with up to about hundred of events expected with the current LHC centre-of-mass energy and luminosity. The most promising predictions for the future LHC stage are also included.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 스퍼미온 플레이버 혼합의 현상학적 결과를 분석함으로써, 특히 희귀 B-메손 붕괴와 렙톤 플레이버 위반의 맥락에서 영향을 분석한다.
• 비대각 스퍼미온 질량 항이 힉스 보손 자기에너지와 그 결과로 도출되는 힉스 질량 예측에 어떻게 영향을 미치는지 평가한다.
• B-물리학 및 LFV 탐색에서의 실험 데이터(사전 및 사후 LHC)와의 일치성을 평가한다.
• 일반적인 스퍼미온 혼합 하에서 MSSM 내의 플레이버 위반 과정에 대한 체계적인 수치 분석을 제공하며, LHC 이벤트율 예측을 포함한다.
• 비균일한 스퍼미온 혼합이 존재하는 상황에서 최소 플레이버 위반(MFV) 가설의 타당성을 시험한다.

제안 방법

• 일반적인 스퍼미온 혼합 매개변수를 포함한 1-루프 효과적 장이론 기법을 사용하여 힉스 자기에너지 및 힉스 질량 보정을 계산한다.
• 효과적 해밀토니안 접근법을 적용하여 $B\to X_s\gamma$, $B_s\to\mu^+\mu^-$ 및 $\Delta M_{B_s}$와 같은 희귀 B-붕괴의 분해비율을 계산하며, 스쿼크 혼합 기여를 포함한다.
• MIA(Minimal Flavor Violation) 프레임워크를 사용하여 힉스 보손이 렙톤 쌍($\phi\to l_i l_j$)으로 붕괴하는 LFV 붕괴율에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• pMSSM-4 및 CMSSM 매개변수 공간에서 수치적 스캔을 수행하며, 하나 또는 두 개의 비영인 플레이버 위반 혼합 매개변수를 포함한 시나리오를 고려한다.
• 완전한 1-루프 앰플리튜드를 사용하여 LFV 힉스 붕괴에 대한 LHC 이벤트율을 계산하고, LHC 및 플레이버 물리학에서의 실험적 제약 조건을 포함한다.
• 페인만 규칙 및 자기에너지 다이어그램(부록 B)을 사용하여 비균일한 스퍼미온 질량이 존재하는 MSSM에서 양자 보정을 체계적으로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 스퍼미온 플레이버 혼합은 $B\to X_s\gamma$ 및 $B_s\to\mu^+\mu^-$와 같은 희귀 B-메손 붕괴의 분해비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스퍼미온 혼합은 힉스 보손 질량 보정에 얼마나 기여할 수 있으며, 이러한 보정은 트리-레벨 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 LFV 과정인 $\mu\to e\gamma$ 및 $\tau\to\mu\gamma$로부터 스레프톤 플레이버 혼합 매개변수에 대해 어떤 제약 조건이 존재하는가?
• RQ4 비영인 스레프톤 혼합이 존재하는 시나리오에서 LFV 힉스 붕괴($h\to e\mu$, $\mu\tau$ 등)의 예상 LHC 이벤트율은 얼마인가?
• RQ5 일반적인 스퍼미온 혼합을 允허할 경우와 MFV 가정을 할 경우를 비교할 때, 사전 및 사후 LHC 데이터로부터의 현상학적 제약 조건은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 스쿼크 혼합은 표준모형 예측을 초월하여 $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$를 크게 증가시킬 수 있으며, 일부 시나리오는 현재 LHC 데이터로 인해 배제된다.
• 비영인 플레이버 위반 혼합 매개변수 하나를 가진 스쿼크 루프에서의 힉스 질량 보정은 혼합 구조와 매개변수에 따라 최대 약 $\sim 10$ GeV에 이를 수 있다.
• $\text{BR}(B\to X_s\gamma)$의 경우, 스쿼크 섹터의 플레이버 혼합은 MFV 경우와 비교해 분해비율을 최대 약 $\sim 10\%$ 정도로 변화시킬 수 있다.
• 특정 pMSSM 점에서 큰 $LR$ 혼합을 가진 경우, $h\to e\mu$와 같은 LFV 힉스 붕괴의 분해비율은 최대 약 $\sim 10^{-6}$에 이를 수 있으며, 고광도 LHC에서 관측 가능할 수 있다.
• $h\to e\mu$의 경우, $\tan\beta \sim 10$ 이며 $m_A \sim 500$ GeV인 유리한 시나리오에서 LHC 이벤트율은 약 $\sim 10^{-3}$에서 $10^{-2}$ 이벤트 per fb$^{-1}$ 수준에 이른다.
• $B$-물리학 및 LFV 제약 조건의 조합은 특히 스레프톤 섹터에서 큰 비대각 스퍼미온 혼합을 강력히 배제하며, $\tan\beta$가 작거나 혼합이 매우 억제되는 경우를 제외하고는 그러한 혼합은 불가능하다.