[논문 리뷰] Finiteness and the Higgs mass prediction

S. Heinemeyer, M. N. Mondragón외 1명|ArXiv.org|2008. 10. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 모든 고리에서 유한성을 확보하기 위해 양자역학적 군 불변성(RGI) 관계를 통해 유한한 $SU(5)$ 초대칭 통합 이론(FUT)을 제안한다. 특히 통일된 연속성 소프트 스칼라 질량 합칙을 포함한다. 토프 및 바텀 쿼크 질량, $B$-물리 관측량, 힉스 보존의 하한, 냉각 암흑 물질 밀도로 제약을 가한 결과, 경량 힉스 보존 질량이 $121{-}126$ GeV로 예측되며, LEP 및 LHC 제약과 일치한다. 초대칭 스펙트럼은 대부분 높은 질량을 가지며, 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)는 500 GeV 이상이다.

ABSTRACT

Finite Unified Theories (FUTs) are N=1 supersymmetric Grand Unified Theories (GUTs) which can be made finite to all-loop orders, leading to a drastic reduction in the number of free parameters. By confronting the predictions of SU(5) FUTs with the top and bottom quark masses we are able to discriminate among different models. Including further low-energy phenomenology constraints, such as B physics observables, the bound on the SM Higgs mass and the cold dark matter density, we derive predictions for the lightest Higgs boson mass and the sparticle spectrum.

연구 동기 및 목표

• 모든 고리에서의 유한성을 확보하기 위해 RGI 관계를 통해 $N=1$ 초대칭 통합 이론(FUT)을 구성하는 것.
• 게이지-유크하우드 통합과 소프트 스칼라 질량 합칙을 통해 자유 매개변수의 수를 줄이는 것.
• 저에너지 관측량을 이용한 모델 제약: 토프 및 바텀 쿼크 질량, $B$-물리 브랜치 비율, 힉스 질량 하한, 냉각 암흑 물질 밀도.
• 완전히 유한한 이론에서 가장 가벼운 힉스 보존 질량과 스피articles 스펙트럼을 예측하는 것.
• collider 물리학 및 암흑 물질 제약 조건에 대한 모델의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• 게이지 및 유크하우드 커플링에 대해 RGI 관계를 적용하여 게이지-유크하우드 부문에서 1차 및 2차 고리의 유한성을 확보하는 것.
• NSVZ $eta$-함수에서 유도된 모든 고리 순서에서의 통일된 소프트 스칼라 질량 합칙을 적용하여 스칼라 질량 스펙트럼을 안정화하는 것.
• 유한한 보정과 기준에 따라 경량 힉스 보존 질량 $M_h$를 계산하기 위해 FeynHiggs 코드를 사용하는 것.
• 냉각 암흑 물질 밀도 $\Omega_{\rm CDM}h^2$ 를 계산하고 잔여 밀도 제약 조건을 테스트하기 위해 MicroMegas를 적용하는 것.
• 실험적 제약 조건 통합: $BR(b\to s\gamma)$, $BR(B_s\to\mu^+\mu^-)$, 그리고 표준모형의 힉스 하한 114.4 GeV.
• 소프트 스칼라 질량과 GUT 스케일의 임계 보정(최대 5%)을 변화시켜 $M_h$에 대한 불확실성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 고리에서의 유한성 보장된 $SU(5)$ 초대칭 GUT이 실험적 하한과 일치하는 힉스 보존 질량을 예측할 수 있는가?
• RQ2 $B$-물리 관측량과 냉각 암흑 물질 제약 조건이 모든 고리에서의 유한한 FUT의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 RGI 소프트 질량을 가진 완전히 유한한 $SU(5)$ FUT에서 가장 가벼운 힉스 보존의 질량 범위는 무엇인가?
• RQ4 이러한 유한한 모델에서 스피articles는 얼마나 무거운가? LHC 또는 ILC에서의 탐지 가능성은 어떠한가?
• RQ5 모델의 제약 조건 하에서 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)는 여전히 타당한 냉각 암흑 물질 후보자인가?

주요 결과

• 모델 FUTB에서 $\mu<0$일 경우, 가장 가벼운 힉스 보존 질량은 $121{-}126$ GeV 범위로 예측되며, LEP 및 LHC 제약과 일치한다.
• $B$-물리 제약 조건과 느슨한 냉각 암흑 물질 밀도 제약($\Omega_{\rm CDM}h^2 < 0.3$)을 포함하면 자연스럽게 관측된 질량 범위 내에 힉스 질량이 포함된다.
• 중성미자 $\chi^0$와 스테우 $\tilde{\tau}$의 경우, 동일한 범위 내에서 유사한 $M_h$ 값을 얻는다. 이는 LSP의 성격에 따라 예측이 안정적임을 시사한다.
• 초대칭 스펙트럼은 일반적으로 높은 질량을 가지며, 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)는 약 500 GeV에서 시작하여 직접 탐지가 어렵다.
• 모델의 예측 능력은 모든 고리에서의 유한성과 RGI 소프트 질량 합칙 덕분에 향상되며, 자유 매개변수 수가 감소하고 전하 또는 색의 붕괴 최소값에 대한 진공 안정성이 향상된다.
• 이중선형 항을 통한 R-포지티비티 위반은 스테우의 붕괴를 허용할 수 있으나, LSP를 암흑 물질 후보에서 제거할 수 있으며, 이는 힉스 질량 예측에 최소한의 영향을 미친다.