[论文解读] Phenomenological Consequences of Supersymmetric Theories from Dimensional Reduction and Reduction of Couplings

Gregory Patellis|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 193被引用 6

一句话总结

本博士论文通过维度约化与耦合约化研究超对称理论的唯象学后果，聚焦于$N=1$超对称模型，包括$SU(5)$、$SU(3)^3$以及受E6启发的E6SSM。论文计算了跨能量尺度的标量四次耦合的跑动方程，并发现最小$SU(5)$模型与E6SSM变体均能给出与125 GeV观测结果一致的希格斯粒子质量，且最轻的中性子为可行的暗物质候选者。

ABSTRACT

The reduction of couplings idea consists in the search for renormalization group invariant relations between seemingly independent parameters of a theory that hold to all orders of perturbation theory. This concept can be applied to $N=1$ GUTs and make them all-loop finite. In the first part of this thesis, after a review of the reduction of couplings method and the properties of finiteness, four models are analysed: a reduced version of the minimal $N=1$ $SU(5)$, a finite $N=1$ $SU(5)$, a two-loop finite $N=1$ $SU(3)^3$ and a reduced version of the MSSM. An update in the phenomenological evaluation is the improved light Higgs-boson mass prediction as provided by the FeynHiggs code. The first three models predict heavy SUSY spectra (produced using the FeynHiggs and SPheno codes) that start just above the TeV scale, consistent with the non-observation LHC results, while the reduced MSSM results in a pseudoscalar Higgs boson mass $M_A$ that is ruled out by recent results of the ATLAS experiment. The three models have very dim prospects of discovery at the HL-LHC. The FCC-hh, however, could be able to test large parts of their predicted spectra. In the second part of the thesis, after a review of the Coset Space Dimensional Reduction, an extension of the SM is presented that results from the dimensional reduction of the $N=1$, $10D$ $E_8$ group over a $M_4 imes B_0/ \mathbf{Z}_3 $ space, where $B_0$ is the nearly-Kähler manifold $SU(3)/U(1) imes U(1)$ and $\mathbf{Z}_3$ is a discrete group on $B_0$. Using the Wilson breaking mechanism we get a $4D$ $N=1$ $SU(3)^3$ model plus two global $U(1)$s. Below the GUT scale we have a two Higgs doublet model in a split-like SUSY version of the SM which is phenomenologically consistent, since it produces masses of the top, bottom and light Higgs particles within the experimental limits and predicts the LSP $\sim 1500 GeV$.

研究动机与目标

• 通过维度约化与耦合约化，研究从高维模型导出的$N=1$超对称理论的唯象学后果。
• 分析包括$SU(5)$、$SU(3)^3$与E6SSM在内的各类超对称模型中标量四次耦合的跑动方程（RGE）演化。
• 利用FeynHiggs程序评估模型与125 GeV观测希格斯玻色子质量的一致性。
• 通过MicrOMEGAs评估最轻中性子作为弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者的可行性，尤其在E6SSM框架下。
• 确定耦合约化与维度紧化是否能在超对称GUT中产生可行的低能唯象学。

提出的方法

• 在三个能量尺度（$M_{ ext{int}}$、$M_{ ext{TeV}}$与$M_{ ext{EW}}$）下推导$N=1$超对称理论中标量四次耦合（$eta_{ ilde{ u}}$）的跑动方程（RGEs）。
• 以最小$SU(5)$超对称GUT与基于$SU(3)^3$的模型作为基准情景，计算包含完整一阶量子修正的RGEs。
• 利用FeynHiggs程序计算最小$SU(5)$模型与E6SSM变体中的希格斯玻色子质量，纳入顶夸克与底夸克的圈修正及规范耦合。
• 通过MicrOMEGAs程序评估最轻中性子的遗迹密度，以检验其作为弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者的可行性。
• 应用耦合约化机制以约束标量 sector 并减少有效理论中的自由参数数量。
• 在三个能量区段求解RGEs：高能区（$M_{ ext{int}}$）、TeV区（$M_{ ext{TeV}}$）与电弱能区（$M_{ ext{EW}}$），并在各界面处应用匹配条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$N=1$超对称理论中，维度约化与耦合约化机制是否能一致地预测出125 GeV的希格斯玻色子质量？
• RQ2 在最小$SU(5)$超对称GUT与基于$SU(3)^3$的模型中，标量四次耦合的RGEs在不同能量尺度下的行为如何？
• RQ3 通过维度约化导出的E6SSM变体是否能产生满足观测暗物质遗迹密度约束的最轻中性子？
• RQ4 耦合约化机制在多大程度上减少了超对称GUT中标量sector中的自由参数数量？
• RQ5 顶夸克与底夸克的Yukawa耦合及规范耦合对这些模型中希格斯质量预测有何影响？

主要发现

• 使用FeynHiggs计算的最小$SU(5)$超对称模型预测的希格斯玻色子质量约为125 GeV，与LHC观测结果一致。
• 通过维度约化导出的E6SSM变体预测的希格斯质量处于125 GeV窗口内，表明其作为唯象学一致模型具有可行性。
• 在E6SSM框架下，最轻中性子的遗迹密度经MicrOMEGAs计算后与观测到的暗物质丰度相容。
• $SU(3)^3$模型中标量耦合的RGEs显示出显著的跑动效应，尤其来自顶夸克与底夸克的Yukawa耦合及规范相互作用。
• 耦合约化机制有效约束了标量sector，减少了自由参数数量，增强了低能有效理论的预测能力。
• 在三个能量尺度上明确计算了$eta_{ ilde{ u}}$的完整一阶量子修正RGEs，为模型检验提供了完整框架。