[论文解读] Coupling of fermionic fields with mass dimensions one to the O'Raifeartaigh model

Kai E. Wunderle, Rainer Dick|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文通过将质量维数为一的费米子场与O'Raifeartaigh模型耦合，提出了一种超对称的推广模型，表明这种耦合可在破坏洛伦兹不变性的代价下实现超对称性恢复。该模型产生两种不同的解：一种是自发超对称性破缺，与原始O’Raifeartaigh模型相同；另一种是通过非零费米子期望值实现超对称性恢复，从而产生一个可行的超对称暗物质候选者，其具有实验可探测的信号特征。

ABSTRACT

The objective of this article is to discuss the coupling of fermionic fields with mass dimension one to the O'Raifeartaigh model to study supersymmetry breaking for fermionic fields with mass dimension one. We find that the coupled model has two distinct solutions. The first solution represents a local minimum of the superpotential which spontaneously breaks supersymmetry in perfect analogy to the O'Raifeartaigh model. The second solution is more intriguing as it corresponds to a global minimum of the superpotential. In this case the coupling to the fermionic sector restores supersymmetry. However, this is achieved at the cost of breaking Lorentz invariance. Finally, the mass matrices for the multiplets of the coupled model are presented. It turns out that it contains two bosonic triplets and one fermionic doublet which are mass multiplets. In addition it contains a massless fermionic doublet as well as one fermionic triplet which is not a mass multiplet but rather an interaction multiplet that contains component fields of different mass dimension. These results show that the presented model for fermionic fields with mass dimension one is a viable candidate for supersymmetric dark matter that could be accessible to experiments in the near future.

研究动机与目标

• 通过在超对称框架内推广ELKO旋矢，将质量维数为一的费米子场引入O’Raifeartaigh模型，实现其超对称推广。
• 研究将这些奇异费米子耦合后对超对称性破缺及洛伦兹不变性的影响。
• 确定耦合系统是否支持质量多重态，并识别潜在的暗物质候选者。
• 探讨质量维数为一的费米子作为隐藏 sector 暗物质候选者的可行性，其与希格斯场具有可探测的耦合。
• 分析耦合模型中质量矩阵与多重态结构，特别是包含不同质量维数场的相互作用多重态的出现。

提出的方法

• 构建一个超势，将具有非零真空期望值的矢量超多重态与质量维数为一的旋量超多重态耦合。
• 通过最小化超势，确定分量场的真空期望值，识别出两种不同的解：平凡解与非平凡解。
• 推导辅助场与费米子场的运动方程，包括耦合强度对F项与费米子场部分的贡献。
• 在真空期望值附近展开分量场，以计算质量矩阵并分析多重态结构。
• 通过检查非零费米子期望值是否在时空中引入优先方向，评估洛伦兹不变性。
• 通过将耦合强度减小至零进行一致性检验，确认该模型在极限下退化为原始O’Raifeartaigh模型与费米子场模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量维数为一的费米子场能否在保持超对称性的前提下，与O’Raifeartaigh模型一致耦合？
• RQ2 质量维数为一的费米子与O’Raifeartaigh模型的耦合是否会导致超对称性恢复？若会，其条件为何？
• RQ3 该耦合对洛伦兹不变性有何影响？当超对称性被恢复时，该模型是否破坏了这一对称性？
• RQ4 耦合模型中的质量矩阵与多重态结构与原始O’Raifeartaigh模型有何不同？
• RQ5 该模型能否支持一个可行且实验可探测的超对称暗物质候选者？

主要发现

• 该耦合模型存在两种不同的真空解：一种为自发超对称性破缺，与原始O’Raifeartaigh模型相同；另一种为通过费米子场非零期望值实现超对称性恢复。
• 超对称性恢复的代价是洛伦兹不变性的破坏，因为非零费米子期望值在时空中引入了优先方向。
• 质量矩阵揭示出两个标量三重态与一个费米子双重态构成质量多重态，同时存在一个无质量费米子双重态与一个非质量多重态的费米子三重态，后者因分量场具有不同质量维数而无法形成质量多重态。
• 与原始O’Raifeartaigh模型仅依赖于一个任意尺度参数不同，标量质量项依赖于耦合强度与费米子质量尺度。
• O’Raifeartaigh模型中的费米子三重态被替换为依赖于耦合强度与费米子质量尺度的费米子双重态，同时出现一个新的包含混合质量维数场的相互作用多重态。
• 该模型提供了一个可行的超对称暗物质候选者，其主要与希格斯场耦合，可能通过大型强子对撞机中希格斯粒子分支比的偏离实现实验探测。