Anatomy and phenomenology of flavor and CP violation in supersymmetric theories [Elektronische Ressource] / Wolfgang Altmannshofer

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 57
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Technische Universit at Munc hen
Fakult at fur Physik
Lehrstuhl fur theoretische Physik IV (T31)
Anatomy and Phenomenology of Flavor and
CP Violation in Supersymmetric Theories
Wolfgang Altmannshofer
Vollst andiger Abdruck der von der Fakult at fur Physik der Technischen Universit at Munc hen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Stephan Paul
Prufer der Dissertation: 1. Dr. Andrzej J. Buras
2. Hon.-Prof. Dr. Wolfgang F. L. Hollik
Die Dissertation wurde am 08.07.2010 bei der Technischen Universit at Munc hen eingereicht
und durch die Fakult at fur Physik am 20.07.2010 angenommen.Zusammenfassung
Gegenstand dieser Doktorarbeit ist eine umfangreiche und systematische Untersuchung von
Flavor und CP verletzenden Niederenergieprozessen im Rahmen des MSSM, der minimalen
supersymmetrischen Erweiterung des Standard Modells. Supersymmetrische (SUSY) Mod-
elle geh oren zu den am besten motivierten und am grundlic hsten untersuchten Modellen fur
Neue Physik (NP). Es wird erwartet, dass die neuen Freiheitsgrade, die die Supersymmetrie
vorhersagt, Massen von der Gr o enordnung der TeV Skala besitzen und die direkte Suche
nach diesen Teilchen ist eines der Hauptziele am LHC. Ein komplemenarert Ansatz das
MSSM zu testen, besteht in der Untersuchung von Pr azisionsobservablen bei niedrigen En-
ergien, die durch die virtuellen E ekte der neuen Freiheitsgrade beein usst werden k onnen.
Von besonderer Bedeutung in diesem Zusammenhang sind sogenannte Flavor Changing Neu-
tral Current (FCNC) Prozesse, die im Standard Modell nicht auf Tree Niveau vorkommen
und deshalb h ochst sensitiv auf die Flavorstruktur von NP Modellen sind.
Zuerst untersuchen wir modellunabh angig Niederenergieprozesse, die eine hohe Sensi-
tivit at auf die Flavor und CP verletzenden Strukturen besitzen, die im MSSM enthalten
sind. Als n achstes diskutieren wir im Detail die reichhaltige Flavorstruktur des MSSM
und die resultierenden SUSY Beitr age zu FCNC und CP verletzenden Observablen und
zwar sowohl fur gro e und kleine Werte fur tan . In der Tat schr anken genau gemessene
Niederenergieobservable den MSSM Parameterraum au ergew ohnlich stark ein, was oft als
SUSY Flavor Problem bezeichnet wird. Wir skizzieren M oglichkeiten die gef ahrlich gro en E ekte in diesen Observablen zu kontrollieren und untersuchen die daraus resultieren-
den Vorhersagen fur jene Niederenergieprozesse, die noch nicht mit hoher Pr azision gemessen
sind. Wir beruc ksichtigen sowohl das MSSM mit minimaler Flavor Verletzung als auch SUSY
Modelle die auf abelschen und nicht-abelschen Flavor Symmetrien basieren und deren \we-
iche" SUSY Brechungsterme repr asentative Flavorstrukturen aufweisen. Wir identi zieren
die markanten Muster von Flavore ekten in den Niederenergieprozessen, wobei wir uns ins-
besonders auf CP verletzende Observable im b! s Ubergang, die B Mischungsphase,s
+ 0 0das Verzweigungsverh altnis des seltenen B ! Zerfalls, CP Verletzung in D Ds
Mischung Und elektrische Dipolmomente konzentrieren. Wir betonen, dass es die chark-
teristischen Korrelationen zwischen den SUSY E ekten in diesen Observablen erlauben, die
verschiedenen Modelle von einander zu unterscheiden.Abstract
The main subject of this PhD thesis is a comprehensive and systematic analysis of avor and
CP violating low energy processes in the framework of the MSSM, the minimal supersym-
metric extension of the Standard Model. Supersymmetric (SUSY) models are among the
best motivated and most thoroughly analyzed New Physics (NP) models. The new degrees
of freedom predicted by Supersymmetry are expected to have masses of the order of the TeV
scale and the direct search for these particles is one of the major goals at the LHC. A com-
plementary strategy to probe the MSSM is given by the analysis of low energy high-precision
observables, that can be modi ed through virtual e ects of the new degrees of freedom. Of
particular importance in this respect are so-called Flavor Changing Neutral Current (FCNC)
processes that, forbidden in the Standard Model at the tree level, are highly sensitive probes
of the avor structure of NP models.
We rst analyze model independently low energy processes that show high sensitivity to
the new sources of avor and CP violation contained in the MSSM. Next, we discuss in detail
the rich avor structure of the MSSM and the implied SUSY contributions to FCNC and
CP violating observables both in the low and high tan regime. In fact, well measured low
energy observables lead to remarkably strong constraints on the MSSM parameter space,
which is often referred to as the SUSY avor problem. We outline possibilities to control
dangerously large SUSY e ects in such observables and analyze the implied predictions for
those low energy processes that are not measured with high precision, yet. We consider both
the Minimal Flavor Violating MSSM and SUSY models based on abelian and non-abelian
avor symmetries that show representative avor structures in the soft SUSY breaking terms.
We identify the distinctive patterns of SUSY e ects in the low energy observables, focussing
in particular on CP violation in the b!s transition, the B mixing phase, the branchings
+ 0 0ratio of the rare B ! decay, CP violation in D D and electric dipoles
moments. We emphasize that the characteristic correlations among the SUSY e ects in
these processes allow to distinguish between the di erent models.Contents
1 Introduction 1
2 The Standard Model and New Physics Flavor Problems 3
2.1 The Success of the SM CKM Mechanism of Flavor and CP Violation . . . . 3
2.2 The Standard Model Flavor Puzzle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 The New Physics Flavor Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Low Energy Probes of Flavor and CP Violation 9
3.1 F = 2 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 F = 1 Pro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 F = 0 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Supersymmetry, the MSSM and its Flavor Structure 37
4.1 The Minimal Supersymmetric Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Sources of Flavor and CP Violation in the MSSM . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Flavor Changing Neutral Currents in the . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 The Minimal Flavor Violating MSSM and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 The MSSM in the Large tan Regime 51
5.1 Corrections to Quark and Lepton Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Flavor O -Diagonal Corrections to the Quark Masses . . . . . . . . . . . . . 53
6 SUSY Contributions to Low Energy Observables 55
+ +6.1 Charged Higgs E ects in B ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2 The Magnetic and Chromomagnetic b!s Operators . . . . . . . . . . . . 57
+6.3 Scalar Contributions to the B ! Decays . . . . . . . . . . . . . . . . 61s;d
6.4 Contributions to Meson Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.5 The b!s and s!d Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.6 The Anomalous Magnetic Moment of the Muon . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.7 The Electric and Chromoelectric Dipole Moments . . . . . . . . . . . . . . . 76
7 The SUSY Flavor Problem 81
7.1 Constraining the MSSM Flavor Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2 Possibilities to Address the SUSY Flavor Problem . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.3 SUSY Flavor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Contents
8 Characteristic Predictions of Speci c SUSY Frameworks 93
8.1 The Minimal Flavor Violating MSSM with CP Phases . . . . . . . . . . . . . 94
8.2 Flavor Models with only CKM-like Left-Left Mass Insertions . . . . . . . . . 98
8.3 A Non-Abelian Flavor Model with CKM-like Right-Right Mass Insertions . . 100
8.4 Aelian Flavor Model with Large Right-Right Mass Insertions . . . . 103
8.5 An Abelian Flavor Model with Large Right-Right Mass . . . . . . 105
8.6 A Generic Prediction of Abelian Flavor Models . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9 Summary and Outlook 113
A Appendix 117
A.1 Compendium of Loop Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2 Conventions for the MSSM Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
A.3 Numerical Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Bibliography i1 Introduction
The era of the Large Hadron Collider has started. On March 30, 2010, the rst long physics
run of the LHC at a center of mass energy of 7 TeV was initiated and with con dence the
clari cation of the mechanism of electroweak symmetry breaking is expected in the coming
years. In fact, the Standard Model (SM) of elementary particle physics with its presently
discovered particle content becomes inconsistent at a scale of around 1 TeV, and without
doubts, the experimental discovery of the last missing piece in the Standard Model, the
Higgs boson (or whatever dynamics takes its role), is the main goal of the LHC experiment.
Moreover, arguments based on the gauge hierarchy problem suggest that the Standard Model
also has to be extended with New Physics (NP) around the TeV scale [1] and the direct
exploration of this energy scale will have profound impact on our understanding