[논문 리뷰] The Peccei-Quinn Axion in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model

D.J. Miller, R. Nevzorov|ArXiv.org|2003. 09. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)에서 동적 PQ 대칭 깨짐으로부터 유래하는 양자수반 보손으로서의 Peccei-Quinn 아키온을 제안한다. 주요 결과는 진공 안정성 조건이 무거운 힉스 보손 질량 $ M_A $ 가 $ \mu \tan\beta $ 에 가까워야 한다고 요구하므로, LHC에서 $ M_A $ 를 측정하는 것이 아키온의 간접적 증거를 제공하거나 이 조건을 위반할 경우 모델을 배제할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We discuss the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) with a Peccei-Quinn (PQ) U(1) symmetry. When this symmetry is dynamically broken by the Higgs mechanism, the resulting pseudo-Nambu-Goldstone boson takes the role of an axion. Although much of the allowed parameter space for low values of the PQ scale has been ruled out, many scenarios with a PQ scale > 10^9 GeV remain untested, allowing the NMSSM PQ axion to provide a solution to the strong CP problem and be a good dark matter candidate. Unfortunately the new particle states are so decoupled that they would not be observable at future colliders, and the NMSSM would appear indistinguishable from the minimal model. However, we show that in order to maintain vacuum stability, such a model requires that the heavy Higgs boson states have masses that lie close to approximately mu tan beta. Therefore, a measurement of the Heavy Higgs boson masses at the LHC would allow one to either rule out the NMSSM PQ axion, or provide tantalizing circumstantial evidence for its existence.

연구 동기 및 목표

• 강한 CP 문제를 해결하는 데 있어 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)에서 Peccei-Quinn(PQ) 아키온의 타당성을 탐색한다.
• 낮은 질량의 아키온에 대해 아직 배제되지 않은 $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ 의 PQ 스케일에 대한 천체물리학적 및 입자충돌 실험 제약 조건을 평가한다.
• 아키온의 커플링이 분리되어 있음에도 불구하고 향후 충돌기에서 NMSSM PQ 아키온을 탐지할 수 있는지 확인한다.
• 진공 안정성 조건을 통해 아키온에 간접적인 증거를 제공할 수 있는 NMSSM 힉스 보존에서 측정 가능한 서명을 규명한다.

제안 방법

• NMSSM에 U(1) PQ 대칭을 도입하여 자발적 대칭 깨짐으로써 양자수반 보손(아키온)이 생성되도록 한다.
• NMSSM에서 힉스 보존의 질량을 1-loop 보정식으로 유도하며, 아키온을 포함한 스칼라 및 편극 스칼라 상태에 집중한다.
• 진공 안정성 조건을 적용하여 제약 조건을 도출한다: 가장 가벼운 스칼라 힉스 보존의 질량 제곱이 양수여야 하므로, $ M_A \approx \mu\tan\beta \pm M_Z $ 가 되어야 한다.
• 톱/스탑 섹터에서 1-loop 수준의 힉스 질량 및 커플링에 대한 해석적 표현식을 사용하여 $ M_A $ 의 의존성을 유도한다.
• 구성성 은하단의 별과 SN 1987A에서의 천체물리학적 제약 조건을 적용하여 PQ 스케일 $ \langle S \rangle \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ 를 제약한다.
• LSP(힉스노) 질량을 $ M_{\text{LSP}} \approx \mu \cot^2\beta_s $ 로 분석하여 매우 가벼우며 분리되어 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NMSSM에 Peccei-Quinn 대칭이 존재할 경우, 강한 CP 문제를 해결할 수 있는 타당한 아키온 해법을 제공할 수 있는가, 천체물리학적 제약 조건과도 일치하는가?
• RQ2 $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ 인 경우, PQ 스케일 $ f_a $ 와 NMSSM 힉스 보존의 진공 안정성에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 아키온의 커플링이 표준모형 입자들과 분리되어 있음에도 불구하고, NMSSM PQ 아키온은 LHC에서 간접적으로 검증될 수 있는가?
• RQ4 무거운 힉스 보손 질량 $ M_A $ 와 아키온 스케일 사이에 측정 가능한 상관관계가 존재하는가, 이를 서명으로 활용할 수 있는가?
• RQ5 PQ 대칭 깨짐 하에서 NMSSM의 힉스 보존 질량과 커플링은 MSSM과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 진공 안정성 조건에 따라 가장 가벼운 스칼라 힉스 보존의 질량 제곱은 양수여야 하며, 이는 1-loop 수준에서 $ M_A \approx \mu\tan\beta \pm M_Z $ 를 제약한다.
• $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ 인 경우, 아키온은 어두운 물질 후보로 타당하며 강한 CP 문제를 해결하지만, 충돌 실험 검색에서 분리되어 있다.
• 별의 냉각과 SN 1987A에서의 천체물리학적 제약 조건은 $ \langle S \rangle \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ 를 요구하며, 낮은 PQ 스케일을 배제한다.
• 가장 가벼운 스칼라 힉스 보존의 전자와의 커플링은 $ g_{H_1 e} \lesssim 1.3 \times 10^{-14} $ 로 제약되며, 이는 $ \langle S \rangle $ 의 하한을 의미한다.
• $ \mu \approx 10^3 \, \text{GeV} $ 와 $ \langle S \rangle \approx 10^{11} \, \text{GeV} $ 인 경우, 가장 가벼운 중성미노(LSP) 질량은 약 $ M_{\text{LSP}} \approx 3 \times 10^{-6} \, \text{eV} $ 로, 천체물리학적 복사로는 탐지 불가능하다.
• 만약 LHC에서 $ M_A $ 가 $ \mu\tan\beta \pm M_Z $ 범위를 벗어나는 것으로 측정된다면, NMSSM PQ 아키온 모델은 배제되며, 이는 테스트 가능한 예측을 제공한다.