Low scale supergravity mediation in brane world scenario and

Low scale supergravity mediation
in brane world scenario and
hidden sector phenomenology
arXiv: hep-ph/0606156
Phys.Rev.D74:055005,2006
Seminar in Toyama univ.: 2007.7.27
Hideo Itoh (KEK)
in collaboration with
Nobuchika Okada (KEK) and Toshifumi Yamashita (SISSA)
1.Introduction
標準模型
素粒子物理学の世界を記述
ところが
階層性問題
階層性問題がある
Higgsの質量に対する量子補正
気持ち悪いから解決したい
カットオフスケールの二乗
GUTを信じるならΛ～1015GeV
O((1015GeV)2)同士の引き算で
O((102GeV)2)を出すことになる
Fine-tuning問題を解決したい
いくつか手段がある（ＳＭを超える模型）
・余剰次元
・リトルヒッグス
・超対称性
・etc
量子補正の二次発散をキャンセル
してくれるありがたい対称性
今日は超対称性を導入してみよう！
超対称性について
・超対称性とは？
fermion
boson
・超対称性導入の動機は？
-階層性問題の解決
-ゲージ結合定数の統一
・超対称化
最小の拡張
→ 最小超対称標準模型(MSSM)
最小超対称標準模型
フェルミオン
ボソン
~
G
G
~
W
W
~
DR
~
B
B
LL
~
LL
ER
~
ER
~
H2
フェルミオン
QL
UR
DR
ボソン
~
QL
~
UR
~
H1
H2
H
H1
超対称性の破れについて
超対称粒子が実験で未だ見つかっていない
低エネルギーでは超対称性は必ず
破れていなければならない
MSSMでは手で超対称粒子の質量項
を入れてSUSYの破れの効果を表す
手で破るのではなく、自発的に破れる
ような模型を作りたい
自発的に超対称性を破る模型
重要な問題が２つある
１）超対称性の破れの起源は？
（ＭＳＳＭの場だけでは破れないことが知られている）
２）どのように破れの効果がＭＳＳＭセクター
に伝わる（質量項を生じさせる）のか？
超対称性の破れの伝達機構
基本的なシナリオ
１）超対称性の破れ方について
Hidden sectorにより自発的に破れる
Ex.)
２）超対称性の破れの伝達機構について
Hidden sector
Mediated by
Visible sector
gravity
gauge
anomaly
gaugino… at Λ which is a mediation scale
超対称粒子の得る質量
超対称性が破れが伝達される
超対称粒子がhidden sectorから
質量を得る
Sfermion質量:
Gaugino質量:
超対称性を自発的に破る模型の例
伝達のエネルギースケールにより、
大雑把に以下の２種類に分けられる
高いスケールでの伝達模型の例
・グラビティ・メディエーション (mSUGRA)
低いスケールでの伝達模型の例
・ゲージ・メディエーション 知られているLow scaleな
模型はGauge med.のみ
新しい模型の提案
Low scale SUGRA med.の新しい模型を提案する
Warpedコンパクト化型の
ブレーンワールドシナリオ
Low scale mediationが可能：Λ～1–10TeV
後で見せるように、いくつかの面白い現象
が見えるようになる（ＬＨＣやＩＬＣで）
2.New low scale SUSY breaking model
Warpedコンパクト化(RS)型のセットアップを考える
簡単のために5次元を考え、それをS1/Z2 にコンパクト化してやる
ΛBulk<0
・r : 5次元の
コンパクト化半径
・y : S1の角度
・k : バルクの曲率
Extra-dim
Λ0>0
アインシュタイン方程式の解：
Λπ<0
IRブレーン上
UV brane
Extra-dim
IR brane
Warp factor
ブレーン上での4次元有効理論を考える
IRブレーン上でのカットオフΛIRはワープダウンされる
よく知られたセットアップの例
アノマリー・メディエーション
H
gravity
V
ゲージーノ・メディエーション
H
G
M
我々の新しいセットアップ
gravity
V
H
IRブレーン上では有効的に４次元のmSUGRA
と同じように超対称性の破れの効果が伝わる。
V
このセットアップでの超対称粒子の質量
IRブレーン上でのカットオフスケールで制限される
我々の模型では、ワープファクターは常にフリーパラメーター
ΛIRはフリーパラメーターである
ΛIRが非常に低い場合を考えてみる
Visible sectorとhidden sectorの高次結合
ΛIR << MPl という場合を考えている
この結合が非常に大きくなり、hidden sectorを
加速器実験で捉えられる可能性がある！
3.Hidden sector phenomenology
ΛIRがオーダーTeVくらいだった場合の現象論
hidden sectorのスカラー場 X が十分軽ければ
(MX < 1TeV), LHC や ILC で観測出来得る！
LHC
ILC
生成過程はヒッグスのものと同じ
振る舞いがヒッグスに似ている
・X-production at LHC
Gluon fusionによるヒッグスの生成
Top loop →
しかし、すぐ後で議論するように、崩壊過程がヒッグスの場合
と全く異なるため、例え質量が同じであっても、どちらが生成
されたか区別できる。
Hidden sector scalarの崩壊過程
SMフェルミオン対への崩壊
ゲージボゾン対への崩壊
軽いSMフェルミオン対への崩壊は、以下の通り非常に制限される
この特徴は、ヒッグスとは全く異なる
Branching ratio
Br
1
10-1
X decays
h decays
Br
gg
γγ
WW
10-2
bb
10-3
100
ZZ
200
tt
MX[GeV]
1000
Mh[GeV]
1033
10
Event number ratio
2
10
102
Mh=MX=120GeV
101
100
10-1
5
10
100
イベント数の比は、ΛIR～100TeVまで非常に増大されている。
それ故この過程を使ってLHCでhidden sectorを見ること出来得る。
・X-production at ILC
ヒッグスの生成過程
In 1TeV ILC
1
Higgs production
X production
0.1
1
2
3
4
5
6 7
8
9 10
ILCの場合は、角分布
がヒッグスの場合と逆
となるため、これらを
区別することが出来る
角分布
[fb]
8
6
4
2
0
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
もう一つの面白い特徴がある
ゲージボゾン対への崩壊幅とゲージーノ質量の間の関係
これらは同じラグランジアンから出てくる
ゲージーノの質量
Relation
Partial decay widths into gauge bosons (X mass >> weak boson masses)
Ex.) c1 = c2 = c3→M1 = M2 = M3
4.Gravitino dark matter
IRブレーン上では４次元重力が正確
に再現されなければならない
グラビティーノ質量
ΛIRが低ければ、この模型では一般的に
グラビティーノが最も軽い超対称粒子(LSP)
→暗黒物質の候補と成り得る
カットオフがO(TeV)→グラヴィティーノが軽過ぎ
となるのではないのか？
最も単純な場合→その通り
でも少し拡張すればすぐに解決する
UVブレーン側にIRブレーン側とは別のhidden
sectorを置くことで、グラヴィティーノの質量は
いかようにも出来るフリーパラメータになる。
ニュートラリーノＬＳＰも可能となる
5.Λ
5. IR～10TeV は果たして自然だろうか？
LHC⇒ΛIR～10TeVで生成断面積が同程度になる
Hidden sector scalarが観測可能となりえた
ではこのカットオフスケールが自然界で成り立っていると考えて
も良さそうな根拠があるだろうか？
Mild hierarchyを仮定するだけでΛIR～10TeVは実現する
さらに
IRブレーン上では全ての質量次元を持ったオリジ
ナルのパラメータはワープダウンされて小さくなる
階層性問題が無くなったように見える
Ex.)
自然さの観点から、全てが上手くいっているかのように見える…
6.Summary
Warpedコンパクト化型余剰次元上での最小超重力理論
の新しいセットアップを提案した
・Visibleとhidden sectorが同じIRブレーンに存在する
・理論のカットオフスケールを非常に低く出来る
ΛIRが低かったら
Hiddenとvisible sectorの場同士
のcontact int.が増大する
LHCやILCでhidden sector scalarを生成出来るかもしれない
ΛIRが十分低ければ、生成断面積はヒッグス
のものと同程度まで大きくなる
ではヒッグスと区別出来ないのか？
崩壊過程が異なるため区別可能
特にLHCでは光子対に崩壊するシグナルは非常に綺麗に見える！
Hidden sector scalarはヒッグスに比べて光子
対へ崩壊するイベント数が非常に大きいため、
容易にこれらを区別することが出来る！
我々はhidden sectorを観測出来るかもしれない
6.Outlook
・シミュレーションしてみる
-LHC… with N.Okada and J.Kanzaki(KEK)
-ILC… with N.Okada and T.Yoshioka(ICEPP)
・暗黒物質の存在量を計算してみる
with N.Okada and S.Matsumoto(KEK)