[论文解读] The Peccei-Quinn Axion in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 18

一句话总结

本文在次最小超对称标准模型（NMSSM）中提出了一种Peccei-Quinn轴子，其中轴子作为动力学PQ对称性自发破缺产生的伪Nambu-Goldstone玻色子。关键结果是，真空稳定性要求重希格斯粒子质量 $ M_A $ 接近 $ \mu \tan\beta $，因此在大型强子对撞机（LHC）上测量 $ M_A $ 可为轴子提供间接证据，或在该约束被违反时排除该模型。

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.

研究动机与目标

• 探索Peccei-Quinn（PQ）轴子在次最小超对称标准模型（NMSSM）中的可行性，作为解决强CP问题的方案。
• 评估对PQ标度 $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ 的天体物理与对撞机约束，该标度对低质量轴子仍未被排除。
• 确定尽管与标准模型粒子耦合被解耦，NMSSM中的PQ轴子是否仍可在未来对撞机中探测。
• 识别NMSSM希格斯场 sector 中可提供轴子间接证据的可观测量，该证据来自真空稳定性约束。

提出的方法

• 在NMSSM中引入U(1) PQ对称性，自发破缺后产生伪Nambu-Goldstone玻色子（即轴子）。
• 推导NMSSM中希格斯粒子质量的一圈修正表达式，重点关注包括轴子在内的标量与赝标量态。
• 应用真空稳定性条件，推导出约束：最轻的标量希格斯粒子质量平方必须为正，要求 $ M_A \approx \mu\tan\beta \pm M_Z $。
• 利用顶夸克/停止夸克圈中希格斯质量与耦合的一圈解析表达式，推导出 $ M_A $ 的依赖关系。
• 应用来自球状星团恒星与SN 1987A的天体物理约束，限制PQ标度 $ \langle S \rangle \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $。
• 分析LSP（higgsino）质量为 $ M_{\text{LSP}} \approx \mu \cot^2\beta_s $，表明其极为轻且解耦。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有Peccei-Quinn对称性的NMSSM中，能否提供一个可行的轴子解来解决强CP问题，同时与天体物理约束一致？
• RQ2 对于 $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $，PQ标度 $ f_a $ 与NMSSM希格斯场 sector 的真空稳定性受到何种约束？
• RQ3 尽管与标准模型粒子耦合被解耦，NMSSM PQ轴子是否仍可在LHC上间接探测？
• RQ4 是否存在 $ M_A $ 与轴子标度之间的可观测量关联，可作为该模型的信号？
• RQ5 在PQ对称性破缺下，NMSSM中希格斯场的粒子质量与耦合与MSSM中的相比如何？

主要发现

• 最轻的标量希格斯粒子质量平方必须为正以保证真空稳定性，这在一阶量子修正下约束 $ M_A \approx \mu\tan\beta \pm M_Z $。
• 对于 $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $，轴子仍是可行的暗物质候选者并解决强CP问题，尽管其与对撞机探测解耦。
• 来自恒星冷却与SN 1987A的天体物理约束要求 $ \langle S \rangle \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $，排除了较低的PQ标度。
• 最轻的标量希格斯粒子与电子的耦合受约束为 $ g_{H_1 e} \lesssim 1.3 \times 10^{-14} $，这转化为对 $ \langle S \rangle $ 的下限。
• 当 $ \mu \approx 10^3 \, \text{GeV} $ 且 $ \langle S \rangle \approx 10^{11} \, \text{GeV} $ 时，最轻的中性子（LSP）质量约为 $ M_{\text{LSP}} \approx 3 \times 10^{-6} \, \text{eV} $，因此无法通过天体物理辐射探测到。
• 若在LHC上测得 $ M_A $ 落在 $ \mu\tan\beta \pm M_Z $ 范围之外，则NMSSM PQ轴子模型将被排除，从而提供可检验的预测。