[论文解读] Finiteness and the Higgs mass prediction

S. Heinemeyer, M. N. Mondragón+1 more|ArXiv.org|Oct 3, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种通过重整化群不变（RGI）关系强制实现全环有限性的有限 $SU(5)$ 超对称大统一理论（FUT），特别引入了统一的软标量质量求和规则。通过顶夸克和底夸克质量、$B$-物理可观测量、希格斯玻色子质量限制以及冷暗物质密度的约束，该模型预测了轻希格斯玻色子质量为 $121{-}126$ GeV，与LEP和LHC的约束一致，而超对称谱整体仍保持较重，最轻的超对称粒子（LSP）高于500 GeV。

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.

研究动机与目标

• 通过RGI关系构建一个全环有限的 $N=1$ 超对称大统一理论（FUT）。
• 利用规范- Yukawa 统一和软标量质量求和规则，减少自由参数数量。
• 利用低能可观测量约束该模型：顶夸克和底夸克质量、$B$-物理分支比、希格斯质量限制以及冷暗物质密度。
• 在完全有限的理论中预测最轻的希格斯玻色子质量和超粒子谱。
• 评估该模型在对撞机现象学和暗物质约束下的可行性。

提出的方法

• 通过规范耦合和 Yukawa 耦合的 RGI 关系，确保规范- Yukawa sector 在一环和两环阶的有限性。
• 在所有环阶应用来自 NSVZ $eta$-函数推导出的统一软标量质量求和规则，以稳定标量质量谱。
• 使用 FeynHiggs 代码计算最轻的希格斯玻色子质量 $M_h$，包含有限修正和方案依赖性。
• 使用 MicroMegas 计算冷暗物质密度 $\Omega_{\rm CDM}h^2$ 并检验遗迹丰度约束。
• 引入实验约束：$BR(b\to s\gamma)$、$BR(B_s\to\mu^+\mu^-)$ 以及标准模型希格斯玻色子的下限 114.4 GeV。
• 通过改变软标量质量和 GUT 尺度的阈值修正（最多 5%）来评估 $M_h$ 中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限 $SU(5)$ 超对称 GUT 是否能预测与实验限制一致的希格斯玻色子质量？
• RQ2 B-物理可观测量和冷暗物质约束如何塑造有限 FUT 的可行参数空间？
• RQ3 在具有 RGI 软质量的全有限 $SU(5)$ FUT 中，最轻的希格斯玻色子质量预测范围是多少？
• RQ4 此类有限模型中的超粒子有多重？其在 LHC 或 ILC 中的探测是否可行？
• RQ5 在该模型的约束下，最轻的超对称粒子（LSP）是否仍为可行的冷暗物质候选者？

主要发现

• 在 $\mu<0$ 的 FUTB 模型中，最轻的希格斯玻色子质量预测范围为 $121{-}126$ GeV，与LEP和LHC限制一致。
• 纳入 $B$-物理约束和宽松的冷暗物质密度约束（$\Omega_{\rm CDM}h^2 < 0.3$）自然导致希格斯质量落在观测范围内。
• 无论 LSP 的具体身份如何，希格斯质量预测均具有鲁棒性：中性子 $\chi^0$ 和 selectron $\tilde{\tau}$ 在相同范围内给出相似的 $M_h$ 值。
• 超对称谱整体较重，最轻的超对称粒子（LSP）质量约为 500 GeV，使得直接探测具有挑战性。
• 全环有限性和 RGI 软质量求和规则增强了模型的预测能力，减少了自由参数数量，并稳定了真空，避免出现电荷或色荷破坏的极小值。
• 通过双线性项导致的 R-奇偶性破坏可能使 stau 衰变，从而移除 LSP 作为暗物质候选者，但对希格斯质量预测的影响极小。