[論文レビュー] Metastable SUSY breaking within the Standard Model

Steven Abel, Valentin V. Khoze|ArXiv.org|Jan 9, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、標準模型の電弱相互作用領域に直接、メタ安定な超対称性（SUSY）の破れを実現するメカニズムを提案する。$SU(2)_L \times U(1)_Y$ の領域に埋め込まれたISS型O'Raifeartaighモデルを用い、$h \gg 1$ となる強い結合のヒッグス場を導入することで、大規模なグルーギノ質量を生成し、電弱対称性の破れとSUSYの破れを結びつける。その結果、$M_{\tilde{g}} \sim 100$ GeV で安定な低エネルギー有効理論を持つ、長期間にわたって安定なメタ安定真空が得られる。

ABSTRACT

We construct a supersymmetric version of the Standard Model which contains a long-lived metastable vacuum. In this vacuum supersymmetry is broken and the electroweak symmetry is Higgsed, and we identify it with the physical ground state of the Standard Model. In our approach the metastable supersymmetry breaking (MSB) occurs directly in the SU(2)_L x U(1)_Y sector of the Standard Model; it does not require a separate MSB sector and in this way it departs from the usual lore. There is a direct link between the electroweak symmetry breaking and the supersymmetry breaking in our model, both effects are induced by the same Higgs fields. In order to generate sufficiently large gluino masses we have to have strong coupling in the Higgs sector, h >> 1. Our model results in an extremely compact low-energy effective theory at the electroweak scale with Higgs fields being very heavy, M_{Higgs} >> M_W and frozen at their vacuum expectation values.

研究の動機と目的

• 標準模型の可視領域内に、長期間にわたって安定なメタ安定真空でSUSY破れが発生する超対称的拡張を構築すること。
• 別個の隠れた領域を必要としないように、メタ安定SUSY破れを$SU(2)_L \times U(1)_Y$ ヒッグス領域に直接埋め込むこと。
• 同じヒッグス場を介して電弱対称性の破れとSUSY破れを結びつけ、両現象の自然な関連性を保証すること。
• 高エネルギースケールの$F$-項を必要とせず、ヒッグス領域における強い結合（$h \gg 1$）によって、実験的に妥当なグルーギノ質量を達成すること。
• ISS型モデルにおけるメタ安定SUSY破れの特徴を活用することで、従来の禁断定理（Nelson-Seiberg、質量和則）を回避すること。

提案手法

• MSSMの電弱領域にISS型O'Raifeartaighモデルを埋め込み、追加のヒッグス世代を導入することで、スケール$\Lambda_L$ における$SU(2)_L$ の強い結合を誘導する。
• 追加のヒッグス場$\Phi_{ij}$、$f_i$、$\tilde{f}_i$ を含む超ポテンシャルを導入し、$\Phi_{33}$ および $\Phi_{44}$ の非ゼロ$F$-項を持つメタ安定真空を生成する。
• $\Lambda_L$ における$SU(2)_L$ ゲージ結合のランダウ極大値を用い、このスケールより上位にUV完備化が必要であることを示すが、その形式は物理的意味を持たない。
• 軽い質量固有状態$\xi_\pm$ を含むループから、有効オペレーター$W_R = \kappa \frac{g_A^2}{16\pi^2} \frac{\mathrm{Tr}(\Phi)}{m_R} W_A^\alpha W_\alpha^A$ を構築し、ゲージノのメジャナ質量を生成する。
• 場の空間的分離が大きいことから、バウンス作用$S_E \gtrsim 400$ となるようにパラメータを調整し、宇宙論的スケールで真空の崩壊を抑制することで、メタ安定性を保証する。
• $m_R \sim \mu \sim 100$ GeV および $h\kappa \gg 1$ を設定することで、$M_{\lambda_A} \sim \mu \sim 100$ GeV を達成し、観測されたグルーギノ質量の期待値と一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の可視電弱領域内に、隠れた領域を必要とせず、直接的にメタ安定SUSY破れを実現できるか？
• RQ2 SUSY破れが電弱対称性の破れに結びついている理論において、大規模なグルーギノ質量をどのように生成できるか？
• RQ3 Nelson-Seibergの禁断定理および$\mathrm{Tr}(M^2) = 0$ の和則は、メタ安定SUSY破れ真空において回避可能か？
• RQ4 どのような条件下で、メタ安定真空が宇宙論的に妥当なほど長期間にわたって安定であると保証できるか？
• RQ5 $SU(2)_L$ 領域における強い結合ヒッグス領域が、自然に電弱対称性の破れとSUSY破れの両方を生成できるか？

主な発見

• 非ゼロの$F$-項を有する$\Phi_{33}$ および $\Phi_{44}$ を持つメタ安定真空が実現され、$F_{\Phi_{11}} = F_{\Phi_{22}} = 0$ であるため、非超対称的だが長期間にわたって安定な基底状態が保証される。
• メタ安定状態の真空エネルギーは$V_+ = |h|^2(|\mu_3|^4 + |\mu_4|^4)$ であり、これが新しい候補真空よりも高いことから、メタ安定性が保証される。
• バウンス作用$S_E \sim 4\pi^2 / \kappa^2$ は、$\kappa \lesssim 0.3$ と選ぶことで$\gtrsim 400$ にできるため、宇宙論的スケールで真空の崩壊が抑制される。
• 有効オペレーター$W_R$ はゲージノのメジャナ質量を生成し、$M_{\lambda_A} = h\kappa \frac{g_A^2}{16\pi^2} \frac{\mu_3^2}{m_R}$ となる。$h\kappa \gg 1$ のとき$M_{\lambda_A} \sim 100$ GeV に達する。
• ヒッグス場が真空期待値に固定され、$M_{\text{Higgs}} \gg M_W$ となるため、電弱スケールでコンactな低エネルギー有効理論が得られる。
• 非一般的な構造を持つメタ安定ISS真空のため、R対称性が破れつつも質量ゼロのアキソンを伴わず、Nelson-Seibergおよび$\mathrm{Tr}(M^2) = 0$ の定理を回避できる。