[论文解读] Surprising phenomenology in the non-Universal U(1) gauge extended $\mu u$SSM

Víctor Martín Lozano, Santiago Oviedo Casado|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 49被引用 3

一句话总结

本文提出了一种非普遍U(1)规范扩展的µνSSM，通过为所有场分配离散的、与家族相关的U(1)X荷，无需引入奇异物质即可消除异常。该模型保持了有效R-奇偶性，确保了质子稳定性，并由于规范对称性非普遍性而允许轻Z′玻色子的存在，从而实现了依赖于希格斯荷的同位旋破坏型暗物质新物理现象。

ABSTRACT

So far the most sophisticated experiments have shown no trace of new physics at the TeV scale. Consequently, new models with unexplored parameter regions are necessary to explain current results, re-examine the existing data, and propose new experiments. In this Letter, we present a modified version of the $\mu u$SSM supersymmetric model where a non-Universal extra U(1) gauge symmetry is added in order to restore an effective R-parity that ensures proton stability. We show that anomalies equations cancel without having to add \emph{any} exotic matter, restricting the charges of the fields under the extra symmetry to a discrete set of values. We find that it is the viability of the model through anomalies cancellation what defines the conditions in which fermions interact with dark matter candidates via the exchange of $Z'$ bosons. The strict condition of universality violation means that LHC constraints for a $Z'$ mass do not apply directly to our model, allowing for a yet undiscovered relatively light $Z$', as we discuss both in the phenomenological context and in its implications for possible flavour changing neutral currents. Moreover, we explore the possibility of isospin violating dark matter interactions; we observe that this interaction depends, surprisingly, on the Higgs charges under the new symmetry, both limiting the number of possible models and allowing to analyse indirect dark matter searches in the light of well defined, particular scenarios.

研究动机与目标

• 在保持质子稳定性的同时，解决规范模型中µ问题与中微子质量生成的机制。
• 通过引入非普遍U(1)规范对称性扩展µνSSM，恢复有效R-奇偶性，且无需引入奇异物质。
• 仅使用标准模型与µνSSM的场，避免额外奇异粒子，实现规范异常的消除。
• 探讨非普遍U(1)X荷的物理后果，特别是对Z′物理与暗物质相互作用的影响。
• 识别满足异常消除条件并支持可行低能物理现象的离散、受约束的荷分配方案。

提出的方法

• 为所有超多重态（夸克、轻子、希格斯、右手中微子）分配家族特异的U(1)X荷，以打破普遍性。
• 在不引入奇异物质的约束下，求解完整的异常消除条件（三角形异常、引力异常、混合异常）。
• 推导有效超势及软性破缺项，包括生成质量层次结构的非全纯Yukawa耦合。
• 计算费米子-Z′耦合随U(1)X荷的变化，显示其对家族及夸克双态组分的依赖性。
• 分析LHC对Z′产生的约束影响，表明由于荷的非普遍性，标准限制不再直接适用。
• 研究由最轻Z′介导的暗物质相互作用，重点分析依赖于希格斯荷的同位旋破坏型耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非普遍U(1)扩展的µνSSM中，是否可在不引入奇异物质的情况下实现异常消除？
• RQ2 何种离散的U(1)X荷集合可满足所有异常消除条件，同时保持有效R-奇偶性？
• RQ3 非普遍U(1)X荷分配如何影响LHC上Z′的产生与探测？
• RQ4 Z′对费米子及暗物质的耦合如何依赖于特定荷分配，特别是对同位旋破坏的影响？
• RQ5 希格斯 sector 的荷是否可导致同位旋破坏型暗物质相互作用？这对间接探测实验有何约束？

主要发现

• 通过为所有场分配离散的、与家族相关的U(1)X荷，非普遍U(1)µνSSM可在不引入奇异物质的情况下实现异常消除。
• 该模型保持了有效R-奇偶性，确保了质子稳定性，并禁止了危险的强子数与轻子数破坏算符。
• 可行荷分配的数量被限制为离散集合，从而约束了该模型可能的物理现象。
• 非普遍U(1)X荷导致每个费米子家族及上型与下型夸克之间具有不同的Z′耦合，使基于普遍耦合的LHC标准限制不再适用。
• 在该模型中，轻Z′玻色子（低于1 TeV）是可行的，因为基于普遍耦合的LHC约束不再适用。
• 同位旋破坏型暗物质相互作用自然出现，其依赖于希格斯场的U(1)X荷，可通过直接与间接探测实验进行检验。