[论文解读] From F-theory GUTs to the LHC

Jonathan J. Heckman, Cumrun Vafa|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 28

一句话总结

本文提出了一种预测性自下而上的F理论大统一理论（GUT）方法，成功解决了四维GUT模型中的关键挑战，包括质子衰变、 gauge耦合统一以及μ/Bμ问题。通过将一个异常U(1)PQ对称性嵌入E6 GUT并引入规范介导的形变，该框架预测了一个特定的超对称性自发破缺尺度（约10^12 GeV），从而得到一个受约束的MSSM超对称粒子谱，其中最轻的停止夸克质量约为900 GeV，LHC的主要信号为qg → ~qR~g，截面约为300 fb。

ABSTRACT

This paper provides an overview to three recent papers on the bottom up approach to GUTs in F-theory. We assume only a minimal familiarity with string theory and phenomenology. After explaining the potential for predictive string phenomenology within this framework, we introduce the ingredients of F-theory GUTs, and show how these models naturally address various puzzles in four-dimensional GUT models. We next describe how supersymmetry is broken, and show that in a broad class of models, solving the mu/B mu problem requires a specific scale of supersymmetry breaking consistent with a particular deformation of the gauge mediation scenario. This rigid structure enables us to reliably extract predictions for the sparticle spectrum of the MSSM. A brief sketch of expected LHC signals, as well as ways to falsify this class of models is also included.

研究动机与目标

• 开发一种预测性自下而上的F理论GUT框架，将UV弦物理与可观测的LHC现象学联系起来。
• 解决四维GUT模型中长期存在的问题，如质子衰变、双态-三重态分裂以及μ/Bμ问题。
• 通过F理论紧化中导出的几何与对称性选择标准，对MSSM参数空间进行约束。
• 识别可证伪的LHC信号及其排除通道，针对此类模型。

提出的方法

• 利用椭圆纤维化的Calabi-Yau四fold进行F理论紧化，以实现GUT尺度的规范群与物质表示。
• 采用局部模型构建技术，通过特定的膜配置与通量嵌入E6 GUT，以获得正确的MSSM谱。
• 引入一个异常U(1)PQ对称性，通过规范介导的形变稳定μ/Bμ问题，将超对称性自发破缺尺度固定在约10^12 GeV。
• 从GUT尺度到弱尺度应用跑动方程，使用类似SOFTSUSY的工具计算软质量与超对称粒子谱。
• 通过分析主要的产生与衰变过程（如qg → ~qR~g，截面约300 fb）推导对撞机信号特征。
• 同时考虑标准与PQ形变介导情景，以评估LHC的发现潜力与背景区分能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 F理论GUT能否提供一个预测性框架，在无需微调的情况下解决MSSM中的μ/Bμ问题？
• RQ2 F理论紧化中的几何约束如何导致MSSM超对称粒子谱的刚性约束？
• RQ3 此类F理论GUT模型的主要LHC信号是什么？如何与标准模型背景相区分？
• RQ4 GUT尺度与普朗克尺度之间的小层次（约10^-3）能否在此F理论框架中自然解释？
• RQ5 宇宙学与味物理约束如何进一步细化这些模型的可行参数空间？

主要发现

• 通过异常U(1)PQ对称性诱导的规范介导形变，μ/Bμ问题得以解决，超对称性自发破缺尺度被固定在约10^12 GeV。
• 最轻的停止夸克质量被预测为约900 GeV，源于F理论GUT构造的刚性结构。
• 主要的LHC产生过程为qg → ~qR~g，截面约为300 fb，使其成为主要的发现通道。
• 该模型预测最轻的中性子为类Bino粒子，作为次轻的超对称粒子（NLSP），在某些情形下产生位移顶点信号。
• 该框架通过几何依赖的幂律关系自然实现了GUT尺度与普朗克尺度之间的小层次，且波函数中可能存在指数抑制。
• 该模型具有可证伪性：若LHC观测到的停止质量显著偏离900 GeV，或主导信号不同，则此类模型可被排除。