갈린 초대칭
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1. 개요
갈린 초대칭은 초대칭의 한 유형으로, 힉스 퍼텐셜의 자연스러움에 대한 가정을 완화하여 게이지 결합 통일과 암흑 물질 등의 장점을 유지하면서도 표준 모형과 구별되는 예측을 제시한다. 2003년에 제임스 웰스가 처음 제안했으며, 니마 아르카니-하메드, 사바스 디모풀로스, 잔 프란체스코 주디체와 안드레아 로마니노 등에 의해 발전되었다. 이 이론은 초대칭 스칼라 입자가 무겁고, 가벼운 게이지노, 힉시노, 그리고 비교적 안정한 글루이노를 예측하는 특징을 갖는다. 갈린 초대칭은 기존 초대칭과 달리 계층 문제를 해결하지 못하지만, 그래비티노 우주론적 문제와 양성자 붕괴 문제를 해결할 수 있다. 학계에서는 처음에는 비판적인 시각도 있었으나, 현재는 자연스러움에 대한 새로운 관점을 제시하며 미래의 실험 결과를 통해 검증될 것으로 기대된다.
2003년에 제임스 웰스(James Wells)가 힉스 퍼텐셜에서 자연스러움에 대한 가정을 없앨 것을 주장하였다. 그 후 2004년에 니마 아르카니-하메드와 사바스 디모풀로스가 자연스러움을 무시하더라도 게이지 결합 통일과 암흑 물질 등 초대칭의 여러 장점을 보존할 수 있음을 보였다. "갈린 초대칭"(split supersymmetry영어)이라는 이름은 잔 주디체와 안드레아 로마니노(Andrea Romanino)가 2004년에 붙였다.
갈린 초대칭의 두드러진 특징은 글루이노가 최대 100초까지의 수명을 가진 준안정 입자가 된다는 것이다. 이보다 더 오래 사는 글루이노는 빅뱅 핵합성을 방해하거나, 우주 감마선의 추가적인 발생원으로서 관측되었을 것이다. 글루이노가 오래 사는 이유는 오직 입자 붕괴를 통해 스쿼크와 쿼크로만 붕괴될 수 있고, 스쿼크가 매우 무거워서 이러한 붕괴가 매우 억제되기 때문이다. 따라서, 글루이노의 붕괴율은 자연 단위로 대략 5/4로 추정될 수 있는데, 여기서 는 글루이노의 정지 질량이고, 는 스쿼크의 정지 질량이다. 1 TeV 정도의 글루이노 질량에 대해, 위에 언급된 우주론적 제약은 스쿼크 질량에 약 GeV의 상한을 설정한다.
2. 역사
갈린 초대칭은 세 편의 논문에서 각각 제안되었다. 2003년 6월 제임스 웰스가 쓴 논문은 힉스 퍼텐셜에서 자연스러움에 대한 가정을 다소 완화하는 보다 완만한 형태였다. 2004년 5월 니마 아르카니-하메드와 사바스 디모풀로스는 힉스 부문의 자연스러움이 표준 모형을 넘어선 새로운 물리학을 제안하는 데 정확한 지침이 아닐 수 있으며, 게이지 결합 통일을 보존하고 암흑 물질 후보를 갖는 다른 방식으로 초대칭이 실현될 수 있다고 주장했다. 2004년 6월 잔 주디체와 안드레아 로마니노는 일반적인 관점에서, 게이지 결합 통일과 암흑 물질 후보를 원한다면 분리된 초대칭이 존재하는 몇 안 되는 이론 중 하나라고 주장했다.
고에너지 물리학계 일부에서 갈린 초대칭에 대한 초기 태도는 슈퍼갈린 초대칭이라는 패러디로 묘사되었다. 물리학에서 새로운 개념이 제안될 때 종종 즉각적인 반발이 일어나곤 한다. 힉스 부문에서의 자연스러움이 새로운 물리학의 동기로 처음 제안되었을 때, 그 개념은 진지하게 받아들여지지 않았다. 초대칭 표준 모형이 제안된 후, 셸던 글래쇼는 '입자 절반이 이미 발견되었다'고 재치 있게 말하기도 했다. 25년이 지난 후, 자연스러움의 개념은 공동체에 너무 깊이 뿌리내려져 자연스러움을 주요 동기로 사용하지 않는 이론을 제안하는 것은 조롱받는 상황이 되었다.
최초에 자연스러움을 옹호했던 많은 사람들은 더 이상 새로운 물리학에 대한 배타적인 제약으로 간주해서는 안 된다고 믿고 있다. 케네스 윌슨은 원래 이를 옹호했지만, 최근에는 경력 중 가장 큰 실수 중 하나라고 언급했다. 스티븐 와인버그는 우주 상수에서 자연스러움의 개념을 완화했고, 1987년 환경적 설명을 주장했다. 테크니컬러를 처음 제안했던 레너드 서스킨드는 조경 및 비자연스러움의 개념을 확고히 옹호한다. 초대칭 표준 모형을 처음 제안했던 사바스 디모풀로스는 갈린 초대칭을 제안했다.
2. 1. 초기 제안
2003년에 제임스 웰스(James Wells)가 힉스 퍼텐셜에서 자연스러움에 대한 가정을 없앨 것을 주장하였다. 그 후 니마 아르카니-하메드와 사바스 디모풀로스가 2004년에 자연스러움을 무시하더라도 게이지 결합 통일과 암흑 물질 등 초대칭의 여러 장점을 보존할 수 있음을 보였다. "갈린 초대칭"(split supersymmetry영어)이라는 이름은 잔 주디체와 안드레아 로마니노(Andrea Romanino)가 2004년에 붙였다.
갈린 초대칭은 세 편의 논문에서 각각 제안되었다. 2003년 6월 제임스 웰스가 쓴 논문은 힉스 퍼텐셜에서 자연스러움에 대한 가정을 다소 완화하는 보다 완만한 형태였다. 2004년 5월 니마 아르카니-하메드와 사바스 디모풀로스는 힉스 부문의 자연스러움이 표준 모형을 넘어선 새로운 물리학을 제안하는 데 정확한 지침이 아닐 수 있으며, 게이지 결합 통일을 보존하고 암흑 물질 후보를 갖는 다른 방식으로 초대칭이 실현될 수 있다고 주장했다. 2004년 6월 잔 주디체와 안드레아 로마니노는 일반적인 관점에서, 게이지 결합 통일과 암흑 물질 후보를 원한다면 분리된 초대칭이 존재하는 몇 안 되는 이론 중 하나라고 주장했다.
2. 2. 명칭 및 발전
2003년에 제임스 웰스(James Wells)가 힉스 퍼텐셜에서 자연스러움에 대한 가정을 없앨 것을 주장하였다. 그 후 2004년에 니마 아르카니-하메드(Nima Arkani-Hamed)와 사바스 디모풀로스(Savas Dimopoulos)가 자연스러움을 무시하더라도 게이지 결합 통일과 암흑 물질 등 초대칭의 여러 장점을 보존할 수 있음을 보였다. "갈린 초대칭"(split supersymmetry영어)이라는 이름은 잔 프란체스코 주디체(Gian Francesco Giudice)와 안드레아 로마니노(Andrea Romaninoit)가 2004년에 붙였다.
갈린 초대칭은 세 편의 논문에서 각각 제안되었다.
고에너지 물리학계 일부에서 갈린 초대칭에 대한 초기 태도는 슈퍼갈린 초대칭이라는 패러디로 묘사되었다. 물리학에서 새로운 개념이 제안될 때 종종 즉각적인 반발이 일어나곤 한다. 힉스 부문에서의 자연스러움이 새로운 물리학의 동기로 처음 제안되었을 때, 그 개념은 진지하게 받아들여지지 않았다. 초대칭 표준 모형이 제안된 후, 셸던 글래쇼는 '입자 절반이 이미 발견되었다'고 재치 있게 말하기도 했다. 25년이 지난 후, 자연스러움의 개념은 공동체에 너무 깊이 뿌리내려져 자연스러움을 주요 동기로 사용하지 않는 이론을 제안하는 것은 조롱받는 상황이 되었다. 갈린 초대칭은 표준 모형과 최소 초대칭 표준 모형 모두와 구별되는 예측을 하며, 힉스 부문의 자연스러움의 궁극적인 본질은 미래의 충돌기에서 결정될 것으로 기대된다.
최초에 자연스러움을 옹호했던 많은 사람들은 더 이상 새로운 물리학에 대한 배타적인 제약으로 간주해서는 안 된다고 믿고 있다. 케네스 윌슨은 원래 이를 옹호했지만, 최근에는 경력 중 가장 큰 실수 중 하나라고 언급했다. 스티븐 와인버그는 우주 상수에서 자연스러움의 개념을 완화했고, 1987년 환경적 설명을 주장했다. 테크니컬러를 처음 제안했던 레너드 서스킨드는 조경 및 비자연스러움의 개념을 확고히 옹호한다. 초대칭 표준 모형을 처음 제안했던 사바스 디모풀로스는 갈린 초대칭을 제안했다.
3. 이론적 특징
글루이노의 잠재적으로 긴 수명은 테바트론과 대형 강입자 충돌기에서 서로 다른 충돌기 신호를 생성한다. 이 입자를 확인할 수 있는 세 가지 방법은 다음과 같다.3. 1. 입자 스펙트럼
갈린 초대칭에서는 초대칭 스칼라 입자(스쿼크와 슬렙톤)가 전약력 눈금보다 매우 무겁다고 가정한다. 이에 따라, 가벼운 (전약력 눈금에서 크게 벗어나지 않는) 미발견 입자는 힉스와 게이지노, 힉시노가 된다. 특히, 비교적 안정한 (평균 수명 약 ~1초 정도의) 글루이노의 존재는 갈린 초대칭의 특징 가운데 하나다.
분리된 초대칭(표준 모형 입자 너머)에서의 새로운 경입자(~TeV)는 다음과 같다.
분리된 초대칭에 대한 라그랑지안은 고에너지 초대칭의 존재로부터 제약된다. 분리된 초대칭에는 5개의 결합이 있다. 힉시노, 힉스 보손 및 게이지노 사이의 힉스 4차 결합과 4개의 유카와 결합이 있다. 이 결합은 초대칭 스칼라가 분리되는 스케일에서 하나의 매개변수에 의해 설정된다. 초대칭 깨짐 스케일 아래에서 이 다섯 개의 결합은 재규격화군 방정식을 통해 TeV 스케일까지 진화한다. 미래의 선형 가속기에서 이러한 결합은 1% 수준으로 측정될 수 있으며, 재규격화군을 통해 고에너지까지 진화하여 이론이 매우 높은 스케일에서 초대칭임을 보여줄 수 있다.
3. 2. 상호작용
갈린 초대칭에서는 초대칭 스칼라 입자(스쿼크와 슬렙톤)가 전약력 눈금보다 매우 무겁다고 가정한다. 이에 따라, 가벼운 (전약력 눈금에서 크게 벗어나지 않는) 미발견 입자는 힉스와 게이지노, 힉시노가 된다. 특히, 비교적 안정한 (평균 수명 약 ~1초 정도의) 글루이노의 존재는 갈린 초대칭의 특징 가운데 하나다.분리된 초대칭(표준 모형 입자 너머)에서의 새로운 경입자(~TeV)는 다음과 같다.
분리된 초대칭에 대한 라그랑지안은 고에너지 초대칭의 존재로부터 제약된다. 분리된 초대칭에는 힉시노, 힉스 보손 및 게이지노 사이의 힉스 4차 결합과 4개의 유카와 결합, 총 5개의 결합이 있으며, 이 결합은 초대칭 스칼라가 분리되는 스케일에서 하나의 매개변수 에 의해 설정된다. 초대칭 깨짐 스케일 아래에서 이 다섯 개의 결합은 재규격화군 방정식을 통해 TeV 스케일까지 진화한다. 미래의 선형 가속기에서 이러한 결합은 1% 수준으로 측정될 수 있으며, 재규격화군을 통해 고에너지까지 진화하여 이론이 매우 높은 스케일에서 초대칭임을 보여줄 수 있다.
분리된 초대칭의 두드러진 특징은 글루이노가 최대 100초까지의 수명을 가진 준안정 입자가 된다는 것이다. 이보다 더 오래 사는 글루이노는 빅뱅 핵합성을 방해하거나, 우주 감마선의 추가적인 발생원으로서 관측되었을 것이다. 글루이노가 오래 사는 이유는 입자 붕괴를 통해 스쿼크와 쿼크로만 붕괴될 수 있고, 스쿼크가 매우 무거워서 이러한 붕괴가 매우 억제되기 때문이다. 따라서, 글루이노의 붕괴율은 자연 단위로 대략 로 추정될 수 있는데, 여기서 는 글루이노의 정지 질량이고, 는 스쿼크의 정지 질량이다. 1 TeV 정도의 글루이노 질량에 대해, 위에 언급된 우주론적 제약은 스쿼크 질량에 약 GeV의 상한을 설정한다.
글루이노의 잠재적으로 긴 수명은 테바트론과 대형 강입자 충돌기에서 서로 다른 충돌기 신호를 생성한다. 이 입자를 확인할 수 있는 세 가지 방법은 다음과 같다.
- 추적 챔버에서 운동량 대 에너지 또는 속도의 비율을 측정한다. (내부 추적 챔버에서 dE/dx 또는 외부 뮤온 추적 챔버에서 p/v)
- 초기 또는 최종 상태 방사에서 발생하는 과도한 단일 제트 이벤트를 찾는다.
- 검출기 내부에서 멈췄다가 나중에 붕괴하는 글루이노를 찾는다. 그러한 이벤트는 글루이노가 검출기 내의 핵자와 강한 상호작용을 하여 이국적인 하전된 강입자를 생성하기 위해 이국적인 강입자를 형성하도록 하드론화되는 경우 발생할 수 있다. 후자는 검출기 내부에서 전자기 상호작용에 의해 감속되어 결국 멈춘다.
3. 3. 글루이노의 수명
갈린 초대칭에서 비교적 안정한 (평균 수명 약 ~1초 정도의) 글루이노의 존재는 갈린 초대칭의 특징 가운데 하나다.분리된 초대칭의 두드러진 특징은 글루이노가 최대 100초까지의 수명을 가진 준안정 입자가 된다는 것이다. 이보다 더 오래 사는 글루이노는 빅뱅 핵합성을 방해하거나, 우주 감마선의 추가적인 발생원으로서 관측되었을 것이다. 글루이노가 오래 사는 이유는 오직 입자 붕괴를 통해 스쿼크와 쿼크로 붕괴될 수 있고, 스쿼크가 매우 무거워서 이러한 붕괴가 매우 억제되기 때문이다. 따라서, 글루이노의 붕괴율은 자연 단위로 대략 5/4로 추정될 수 있는데, 여기서 는 글루이노의 정지 질량이고, 는 스쿼크의 정지 질량이다. 1 TeV 정도의 글루이노 질량에 대해, 위에 언급된 우주론적 제약은 스쿼크 질량에 약 GeV의 상한을 설정한다.
글루이노의 잠재적으로 긴 수명은 테바트론과 대형 강입자 충돌기에서 서로 다른 충돌기 신호를 생성한다. 이 입자를 확인할 수 있는 세 가지 방법이 있다.
4. 장점과 단점
분리된 초대칭은 게이지 결합 통일을 허용하고, 그래비티노 우주론적 문제를 해결하며, 양성자 붕괴 속도에 대한 상한선을 만족시킬 수 있다는 장점이 있다. 반면, 기존의 초대칭과 달리 계층 문제를 해결하지 못한다. 인간 원리에 따른 미세 조정을 가정하여 이 문제를 해결할 수 있다는 제안이 있다.
4. 1. 장점
분리된 초대칭은 초대칭처럼 게이지 결합 통일을 허용한다. 이는 TeV 규모를 훨씬 넘어선 질량을 가진 입자들이 통일에 큰 역할을 하지 않기 때문이다. 이러한 입자들은 다른 입자들과 작은 결합(중력 상호작용 정도)을 갖는 그래비티노와 표준 모형 페르미온의 스칼라 파트너, 즉 스쿼크와 스렙톤이다. 후자는 모든 게이지 결합의 베타 함수를 함께 이동시키며, 대통일 이론에서 완전한 SU(5) 다중항을 형성하여 입자의 완전한 세대와 마찬가지로 통일에 영향을 미치지 않는다.분리된 초대칭은 그래비티노 질량이 TeV보다 훨씬 높기 때문에 그래비티노 우주론적 문제를 해결한다.
스쿼크가 매우 무겁기 때문에 양성자 붕괴 속도에 대한 상한선 또한 만족될 수 있다.
4. 2. 단점
분리된 초대칭은 초대칭처럼 게이지 결합 통일을 허용하는데, 이는 TeV 규모를 훨씬 넘어선 질량을 가진 입자들이 통일에 큰 역할을 하지 않기 때문이다. 이러한 입자들은 다른 입자들과 작은 결합(중력 상호작용 정도)을 갖는 그래비티노와 표준 모형 페르미온의 스칼라 파트너, 즉 스쿼크와 스렙톤이다. 후자는 모든 게이지 결합의 베타 함수를 함께 이동시키며, 대통일 이론에서 완전한 SU(5) 다중항을 형성하여 입자의 완전한 세대와 마찬가지로 통일에 영향을 미치지 않는다.분리된 초대칭은 또한 그래비티노 우주론적 문제를 해결하는데, 그 이유는 그래비티노 질량이 TeV보다 훨씬 높기 때문이다.
양성자 붕괴 속도에 대한 상한선 또한 스쿼크가 매우 무겁기 때문에 만족될 수 있다.
반면에, 기존의 초대칭과 달리 분리된 초대칭은 1979년 이후 표준 모형을 넘어선 새로운 물리학 제안의 주요 동기였던 계층 문제를 해결하지 못한다. 한 가지 제안은 인간 원리로 인한 미세 조정을 가정하여 계층 문제가 "해결"된다는 것이다.
5. 학계의 반응과 전망
고에너지 물리학계 일부에서 갈린 초대칭에 대한 초기 태도는 슈퍼갈린 초대칭이라는 패러디로 묘사되었다. 물리학에서 새로운 개념이 제안될 때 종종 즉각적인 반발이 일어난다. 힉스 부문에서의 자연스러움이 새로운 물리학의 동기로 처음 제안되었을 때, 그 개념은 진지하게 받아들여지지 않았다. 초대칭 표준 모형이 제안된 후, 셸던 글래쇼는 '입자 절반이 이미 발견되었다'고 재치 있게 말했다. 25년이 지난 후, 자연스러움의 개념은 공동체에 너무 깊이 뿌리내려져 자연스러움을 주요 동기로 사용하지 않는 이론을 제안하는 것은 조롱받았다. 갈린 초대칭은 표준 모형과 최소 초대칭 표준 모형 모두와 구별되는 예측을 하며, 힉스 부문의 자연스러움의 궁극적인 본질은 미래의 충돌기에서 결정될 것으로 기대된다.
자연스러움을 최초로 옹호했던 많은 사람들이 더 이상 새로운 물리학에 대한 배타적인 제약으로 간주해서는 안 된다고 믿고 있다. 케네스 G. 윌슨은 원래 이를 옹호했지만, 최근에는 경력 중 가장 큰 실수 중 하나라고 언급했다. 스티븐 와인버그는 우주 상수에서 자연스러움의 개념을 완화했고, 1987년 환경적 설명을 주장했다. 처음 테크니컬러를 제안했던 레너드 서스킨드는 조경 및 비자연스러움의 개념을 확고히 옹호한다. 초대칭 표준 모형을 처음 제안했던 사바스 디모풀로스는 갈린 초대칭을 제안했다.
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