[论文解读] Implications of Supersymmetry Breaking with a Little Hierarchy between Gauginos and Scalars

James D. Wells|ArXiv.org|Jun 13, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 98

一句话总结

该论文提出一个具有‘小层次’的超对称模型——规范费米子质量在弱能标附近（约1 TeV），而标量则重得多（数十TeV），以解决味、CP破坏和质子衰变问题。温皮诺（Wino）成为最轻的超对称粒子（LSP），实现高效的湮灭并产生来自星系晕的可探测单能光子线，同时避免直接暗物质探测的约束，并保持规范与 Yukawa 统一。

ABSTRACT

From a theoretical point of view it is not hard to imagine gaugino masses being much lighter than scalar masses. The dominant contributions to gaugino masses are then their anomaly-mediated values. Given current lower bounds on gauginos, which are near the W-mass scale, considering a little hierarchy between weak-scale gauginos and much heavier scalars requires suspending normal intuition on finetuning and naturalness of the Higgs potential. Nevertheless, tantalizing perks come from the hypothesis: lessened flavor and CP violation problems, more compatibility with gauge coupling unification and third generation Yukawa unification, suppressed dimension-five proton decay operators, and no problems satisfying the current Higgs mass constraint for any value of tan(beta) consistent with the top and bottom Yukawa couplings remaining finite up to the grand unified scale. The Tevatron has little chance of finding any evidence of this theory given current constraints. The LHC does well looking for pair production of gluinos which three-body decay into potentially spectacular final states. Dark matter relic abundance can be cosmologically interesting, but table-top experiments will not see LSPs scattering off nucleons. On the other hand, experiments looking for monochromatic photons from LSP annihilations in the galactic halo may find them.

研究动机与目标

• 通过在规范费米子与标量质量之间引入层次，解决低能SUSY中持续存在的味、CP破坏和质子衰变问题。
• 探讨标量谱较重（数十TeV）是否能在看似微调的背景下，仍保持SUSY的关键成功，如规范与Yukawa统一。
• 研究在高标量尺度下，温皮诺型LSP暗物质的可行性，特别是其间接探测前景。
• 评估LHC是否可通过胶球子对产生及三体衰变探测此类谱。
• 在该层次下评估宇宙学可行性，包括遗迹丰度与引力微子衰变效应。

提出的方法

• 以异常介导的规范费米子质量（AMSB）为主要来源，导致规范费米子在弱能标附近较轻。
• 假设标量质量通过非单态超对称性破坏与F项破坏生成，导致标量质量远重于规范费米子。
• 应用有效场论技术，计算在高标量质量假设下Higgs质量约束、质子衰变算符与电偶极矩。
• 计算温皮诺LSP湮灭截面至光子与Zγ，发现其截面恒定在(3–5)×10⁻²⁷ cm³s⁻¹之间。
• 通过规范玻色子湮灭计算遗迹丰度，表明即使标量较重，其仍处于宇宙学约束范围内。
• 利用GLAST与契伦科夫探测器评估温皮诺湮灭产生的单能光子线的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 规范费米子与标量之间的‘小层次’是否能在不重新引入微调的情况下，解决超对称中的味与CP破坏问题？
• RQ2 当标量谱较重（数十TeV）时，是否仍能在MSSM中保持规范与Yukawa统一，特别是对于大tanβ值？
• RQ3 尽管LSP对直接探测实验‘不可见’，温皮诺型LSP暗物质是否仍具有宇宙学可行性并可通过间接探测手段探测？
• RQ4 当标量质量超过5 TeV且Yukawa耦合在GUT尺度仍保持微扰时，对Higgs质量约束有何影响？
• RQ5 LHC是否可通过胶球子对产生及三体衰变探测到此类谱？

主要发现

• 温皮诺LSP在100 GeV至1 TeV质量范围内，其双光子湮灭截面恒定为(3–5)×10⁻²⁷ cm³s⁻¹，可产生可探测的单能光子线。
• 当截面高于3×10⁻²⁷ cm³s⁻¹时，GLAST与下一代契伦科夫探测器可能探测到温皮诺湮灭产生的γγ与Zγ单能光子线。
• 由于LSP为纯温皮诺态且标量轻子质量较重，LSP-核子散射的直接探测在物理上基本不可能，导致相干与自旋依赖相互作用均被强烈抑制。
• 由于标量夸克质量较高，通过五维算符的质子衰变被强烈抑制，缓解了GUT模型中的主要约束。
• 即使标量质量超过5 TeV，只要Yukawa耦合在GUT尺度保持微扰，Higgs玻色子质量仍高于114 GeV，适用于所有tanβ值。
• 在冻结后，引力微子衰变可自然产生非热冷暗物质源，从而解决高标度SUSY中的引力微子/模问题。