[论文解读] R-parity Conserving Minimal SUSY $B-L$ Model

Nobuchika Okada, Nathan Papapietro|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种最小的、R-宇称守恒的超对称U(1)$_{B-L}$扩展模型，即MSSM的扩展，其中一个右手上中子超多重态（Φ）具有偶R-宇称，其标量分量通过规范跑动生成的负质量平方项实现辐射U(1)$_{B-L}$对称性自发破缺。该模型产生具有一个无质量态的狄拉克中微子，同时引入了一种新的暗物质候选者，由B-L规范费米子与Φ的费米子分量混合而成；此外，Z′玻色子的隐形衰变宽度可在LHC上区分狄拉克与马约拉纳型右手上中子。

ABSTRACT

We propose a simple gauged U(1)$_{B-L}$ extension of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM), where R-parity is conserved as usual in the MSSM. The global $B-L$ (baryon number minus lepton number) symmetry in the MSSM is gauged and three MSSM gauge-singlet chiral multiplets with a unit $B-L$ charge are introduced, ensuring the model free from gauge and gravitational anomalies. We assign an odd R-parity for two of the new chiral multiplets and hence they are identified with the right-handed neutrino superfields, while an even R-parity is assigned to the other one ($Φ$). The scalar component of $Φ$ plays the role of a Higgs field to break the U(1)$_{B-L}$ symmetry through its negative mass squared, which is radiatively generated by the renormalization group running of soft supersymmetry (SUSY) breaking parameters from a high energy. This radiative U(1)$_{B-L}$ symmetry breaking leads to its breaking scale being at the TeV naturally. Because of our novel R-parity assignment, three light neutrinos are Dirac particles with one massless state. Since R-parity is conserved, the lightest neutralino is a prime candidate of the dark matter as usual. In our model, the lightest eigenstate of the mixture of the $B-L$ gaugino and the fermionic component of $Φ$ appears as a new dark matter candidate. We investigate phenomenology of this dark matter particle. We also discuss collider phenomenology of our model. In particular, the $B-L$ gauge boson ($Z'$), once discovered at the Large Hadron Collider, can be a probe to determine the number of (right-handed) Dirac neutrinos with its invisible decay width, in sharp contrast with the conventional $B-L$ extension of the SM or MSSM where the right-handed neutrinos are heavy Majorana particles and decay to the SM leptons.

研究动机与目标

• 构建一个最小的、无异常的SUSY扩展MSSM，具有规范U(1)$_{B-L}$对称性与R-宇称守恒。
• 通过R-宇称偶的右手上中子超多重态（Φ）的软质量平方项的辐射生成，实现自然的TeV尺度U(1)$_{B-L}$对称性破缺。
• 通过仅将三个右手上中子超多重态中的两个赋予奇R-宇称，实现具有一个无质量态的狄拉克中微子。
• 识别由B-L规范费米子与Φ的费米子分量混合而成的新暗物质候选者，其与最轻的中性子不同。
• 探索对撞机现象学，特别是Z′玻色子的隐形衰变宽度作为探测轻中微子狄拉克性质的手段。

提出的方法

• 在MSSM中引入三个右手上中子复数超多重态，将一个（Φ）赋予偶R-宇称，其余两个赋予奇R-宇称。
• 利用Φ的标量分量作为U(1)$_{B-L}$对称性破缺的希格斯场，其质量平方项通过软SUSY破缺参数的跑动而变为负值。
• 通过包含恰好三个B-L电荷为+1的复数多重态，确保异常自由，同时保持规范与引力异常抵消。
• 构建超势，使得Φ不通过狄拉克Yukawa耦合与轻子双态相互作用，从而避免马约拉纳质量项并确保狄拉克中微子质量。
• 进行跑动方程分析，表明Φ的标量分量的负质量平方项可自然地由高能标下的软参数生成。
• 计算最轻R-宇称奇态（χℓ）的遗迹丰度，该态为B-L规范费米子与Φ的费米子分量的混合态，并在Z′玻色子s通道共振时自然实现正确的暗物质遗迹丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不引入独立B-L希格斯场的前提下，构建一个最小的、R-宇称守恒的SUSY B-L模型，同时保证无异常性与自然的TeV尺度对称性破缺？
• RQ2 将偶R-宇称赋予一个右手上中子超多重态对中微子质量谱及轻中微子狄拉克性质有何影响？
• RQ3 由B-L规范费米子与R-宇称偶的右手上中子超多重态的费米子分量混合而成的新暗物质候选者的现象学信号是什么？
• RQ4 在LHC上，Z′玻色子的隐形衰变宽度能否区分该模型中狄拉克与马约拉纳型右手上中子？
• RQ5 辐射U(1)$_{B-L}$对称性破缺机制如何依赖于软SUSY破缺参数及其跑动行为？

主要发现

• R-宇称偶的右手上中子超多重态（Φ）的标量分量通过跑动方程生成负质量平方项，导致自然的TeV尺度U(1)$_{B-L}$对称性破缺。
• 由于缺乏马约拉纳质量项且仅有两个狄拉克Yukawa耦合，该模型产生三个轻中微子作为狄拉克费米子，其中一者为无质量态。
• 一种新的暗物质候选者作为最轻R-宇称奇态出现，由B-L规范费米子与Φ的费米子分量的混合态构成，其遗迹丰度可通过Z′玻色子s通道共振自然实现，当其质量接近Z′玻色子质量的一半时。
• Z′玻色子的隐形衰变宽度对轻右手上中子数量敏感：当N(νR)=2时，总宽度比N(νR)=0时大12%，在1000 fb⁻¹亮度的高亮度LHC上可被分辨。
• 当mZ′=3.5 TeV且gBL=0.25时，LHC在MZ′±100 GeV的不变质量窗口中可探测到892个信号事例（N(νR)=2）与1049个事例（N(νR)=0），显著性差异达4–5σ。
• 该模型通过精确测量Z′玻色子的隐形衰变宽度，为LHC上探测狄拉克中微子提供了一种新方法，与传统B-L模型中右手上中子为重的马约拉纳粒子的设定形成鲜明对比。