개념완성

F-항 깨짐 (F-term Breaking)

자발적 초대칭 깨짐

초대칭이 자발적으로 깨지려면, 진공이 초대칭 전하에 의해 소멸되지 않아야 합니다:

Qα00또는Qˉα˙00Q_\alpha |0\rangle \neq 0 \quad \text{또는} \quad \bar{Q}_{\dot{\alpha}} |0\rangle \neq 0

정의5.1자발적 초대칭 깨짐의 조건

초대칭 대수에서:

{Qα,Qˉα˙}=2σαα˙μPμ\{Q_\alpha, \bar{Q}_{\dot{\alpha}}\} = 2\sigma^\mu_{\alpha\dot{\alpha}} P_\mu

양변의 대각합을 취하면:

H=P0=14(Q1Q1+Q1Q1+Q2Q2+Q2Q2)H = P^0 = \frac{1}{4}(Q_1 Q_1^\dagger + Q_1^\dagger Q_1 + Q_2 Q_2^\dagger + Q_2^\dagger Q_2)

따라서 진공 에너지가 양수이면 초대칭이 깨집니다:

0H0>0    SUSY 깨짐\langle 0 | H | 0 \rangle > 0 \iff \text{SUSY 깨짐}

0H0=0    SUSY 보존\langle 0 | H | 0 \rangle = 0 \iff \text{SUSY 보존}

스칼라 퍼텐셜 V=VF+VD0V = V_F + V_D \geq 0에서, V>0V > 0의 두 가지 경로:

  • F-항 깨짐: Fi0\langle F_i \rangle \neq 0 (일부 ii에 대해)
  • D-항 깨짐: Da0\langle D^a \rangle \neq 0 (일부 aa에 대해)

오라이페어텍 모형

정의5.2오라이페어텍(O'Raifeartaigh) 모형

F-항 초대칭 깨짐의 가장 간단한 예. 세 개의 카이랄 초장 X,Φ1,Φ2X, \Phi_1, \Phi_2로 구성:

W=λX(Φ12μ2)+mΦ2Φ1W = \lambda X(\Phi_1^2 - \mu^2) + m\Phi_2\Phi_1

F-항 조건:

FX=WX=λ(Φ12μ2)=0F_X^* = -\frac{\partial W}{\partial X} = -\lambda(\Phi_1^2 - \mu^2) = 0

FΦ1=WΦ1=(2λXΦ1+mΦ2)=0F_{\Phi_1}^* = -\frac{\partial W}{\partial \Phi_1} = -(2\lambda X\Phi_1 + m\Phi_2) = 0

FΦ2=WΦ2=mΦ1=0F_{\Phi_2}^* = -\frac{\partial W}{\partial \Phi_2} = -m\Phi_1 = 0

FΦ2=0F_{\Phi_2}^* = 0Φ1=0\Phi_1 = 0을 요구하지만, 이를 FX=0F_X^* = 0에 대입하면:

FX=λμ20F_X^* = \lambda\mu^2 \neq 0

FX=0F_X = 0FΦ2=0F_{\Phi_2} = 0을 동시에 만족시킬 수 없으므로, 초대칭은 자발적으로 깨집니다.

진공 에너지: Vmin=λμ22>0V_{\text{min}} = |\lambda\mu^2|^2 > 0

골드스티노

정의5.3골드스티노 정리

초대칭이 자발적으로 깨지면, 질량 없는 페르미온(골드스티노, goldstino) G~\tilde{G}가 반드시 존재합니다. 이것은 남부-골드스톤 정리의 초대칭 버전입니다.

골드스티노는 Fi0\langle F_i \rangle \neq 0인 초장의 페르미온 성분의 선형 결합입니다:

G~=1FiFiψi\tilde{G} = \frac{1}{F}\sum_i \langle F_i \rangle \psi_i

여기서 F=iFi2F = \sqrt{\sum_i |\langle F_i \rangle|^2}는 초대칭 깨짐의 차수(order parameter)입니다.

국소 초대칭(초중력)에서는 골드스티노가 그래비티노에 흡수되어(초-힉스 메커니즘) 그래비티노에 질량을 부여합니다:

m3/2=F3MPlm_{3/2} = \frac{F}{\sqrt{3}M_{\text{Pl}}}

질량 분할 정리

참고나무 수준 질량 합 규칙

나무 수준에서 자발적 초대칭 깨짐은 **초추적 질량 합 규칙(supertrace mass sum rule)**을 만족합니다:

STr[M2]J(1)2J(2J+1)Tr[MJ2]=0\text{STr}[\mathcal{M}^2] \equiv \sum_J (-1)^{2J}(2J+1)\text{Tr}[\mathcal{M}_J^2] = 0

여기서 합은 스핀 J=0,1/2,1J = 0, 1/2, 1에 대해 취합니다.

이것은 심각한 현상론적 문제를 야기합니다: 스쿼크와 슬렙톤 중 일부가 대응하는 쿼크·렙톤보다 가벼워야 합니다. 이는 실험과 모순되므로, 초대칭 깨짐은 관측 가능 섹터에서 직접 일어날 수 없습니다.

해결책: **숨겨진 섹터(hidden sector)**에서 초대칭이 깨지고, **매개 상호작용(mediation)**을 통해 관측 섹터로 전달됩니다.

예제숨겨진 섹터 매개 메커니즘

| 매개 메커니즘 | 매개자 | 특징적 질량 스케일 | |-------------|--------|------------------| | 중력 매개 (gravity mediation) | 중력 | msoftF/MPlm_{\text{soft}} \sim F/M_{\text{Pl}} | | 게이지 매개 (gauge mediation) | SM 게이지 보존 | msoft(α/4π)(F/Mmess)m_{\text{soft}} \sim (\alpha/4\pi)(F/M_{\text{mess}}) | | 이상 매개 (anomaly mediation) | 공형 보상자 | msoft(α/4π)(F/MPl)m_{\text{soft}} \sim (\alpha/4\pi)(F/M_{\text{Pl}}) |

각 매개 메커니즘은 다른 초대칭 입자 스펙트럼 패턴을 예측하며, LHC 등의 충돌기 실험으로 구별할 수 있습니다.