We study the phenomenology of Peccei-Quinn invariant Supersymmetric Standard Models. The motivations for the class of models are briefly reviewed. And the effective interactions of the axion supermultiplet are carefully examined with emphasis on distinction among three seemingly similar but different quantities on the axion-gauge-gauge supermultiplet interaction, the 1PI amplitude, Wilsonian coupling, and PQ anomaly coefficient. Then an important conclusion is derived for the dominant interaction of axino at the energy scale between the mass of the heaviest PQ-charged and gauge-charged matter and the PQ scale, which has direct implications for cosmology. Applying the result to the cosmological production of axino in specific axion models, the reheat temperature bound and dark matter properties are studied. After that, the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) with the PQ symmetry is investigated in the light of the 125 GeV Higgs data. The minimal PQ-NMSSM turns out to be severely constrained by the invisible decay channel from Higgs to lightest neutralino pair. Nevertheless, in small $ \tan \beta \lesssim 2 $ region, there exists plausible parameter space by the aid of the PQ sector to evade the constraints from dark matter, alleviating the fine-tuning in the Higgs mass. This parameter space may also enhance the diphoton signal rate up to a factor of 1.5 for the heavy doublet Higgs mass $ m_H \lesssim 480 $. Also it should be commented that the general PQ-NMSSM with non-zero supersymmetric mass term of singlino can evade these restrictions. Finally, the generic collider signature of the minimal PQ-NMSSM at the LHC is studied.
Peccei-Quinn 초대칭 표준모형은 표준모형의 강력의 CP 문제와 게이지 계층성 문제를 해결함과 동시에 암흑 물질과 초대칭 표준모형의 $ \mu $ 문제 등에 관한 답도 제시할 수 있어서, 표준모형의 대안으로서 생각해봄직하다. 이러한 종류의 모형은 또한 그 자신의 독특한 현상론적 결과들을 함의하고 있고, 이 연구는 그러한 결과들 중 몇 가지를 밝히고 현재의 우주론적 혹은 가속기 실험의 관측, 실험 데이터와의 부합성을 살펴보는데 목적이 있다.
먼저 PQ 초대칭 모형의 일반적 성질로서, 액시온 (axion) 초대칭장들의 유효 상호작용들에 관하여 고찰하였다. 액시온-게이지-게이지 초대칭장들의 결합 상수와 관련하여 서로 비슷하게 보이나 엄밀히 다른 세가지 물리량, 즉 1PI 진폭, 윌슨 결합 상수 (Wilsoninan couping), PQ 변칙 (anomaly) 상수들간의 주의 깊은 구별은 이 상호작용과 관련된 물리의 올바른 해석과 결론을 도출하기 위하여 매우 중요하다. 이를 고려하였을 때, 특별히 PQ 전하와 게이지 전하를 띄고 있는 가장 무거운 입자의 질량의 스케일과 PQ 스케일 사이의 에너지 영역에서 액시온 초대칭장들의 상호작용의 크기가 종래의 윌슨 결합 상수만을 고려한 결과보다 훨씬 줄어든다는 것을 지적했다. 다시 말해서 이 에너지 영역에서는 윌슨 결합 상수 뿐만 아니라 다른 유효 상호작용들의 무시할 수 없는 기여를 모두 고려하여 장의 기저 (basis)의 선택과는 독립적인 올바른 1PI 진폭을 얻어야 하며, 그 결과는 윌슨 결합 상수의 기여를 상쇄하여 훨씬 작은 세기의 상호작용으로 귀결된다. 이를 액시노 (axino)의 우주론적 열적 생성에 적용하면, 이 에너지 영역에서 액시노 생성량은 재열 (reheat) 온도에 무관하게 되어, 재열 온도에 비례하는 기존 결과에서 주어진 재열 온도의 상한값을 완화시키거나 상한을 없앨 수 있다. 그러나 이를 고려한다고 해도 액시노를 차가운 암흑 물질의 후보로서 생각하는 이상 액시노 생성량은 여전히 매우 많으며, DFSZ 액시온 모델의 경우 액시노의 질량이 $\sim {\cal O} (10)$ MeV 이하가 되지 않는 이상 (KSVZ 액시온 모델의 경우에는 일반적으로 더 작아야 함) 쉽게 우주 전체 암흑물질 밀도를 넘어서고 만다. 따라서 좀더 일반적인 파라미터 영역을 고려하여, Weak 스케일 내지는 TeV 스케일의 질량을 가지는 무거운 액시노의 다른 더 가벼운 암흑물질로의 붕괴 시나리오를 고찰하였다. 초대칭 표준모형의 일반적인 암흑물질로 고려되는 뉴트랄리노 (neutralino) 암흑물질을 생각했을 때, 무거운 액시노의 생성과 붕괴는 PQ 섹터가 없는 일반적인 MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model, 최소 초대칭 표준모형)의 뉴트랄리노와 비교하여 보다 가벼운 힉시노 유형 (Higgsino-like) 혹은 보다 (CP-odd 힉스를 통한) 공진 붕괴하는 비노 유형 (Bino-like)의 뉴트랄리노가 되어야 함을 볼 수 있었다. 이는 액시노의 붕괴로 인해 과다 생성된 뉴트랄리노가 다시 충분한 양의 쌍소멸을 일으켜서 올바른 암흑물질 밀도를 주기 위한 조건에서 유도되었다.
다음으로 최근 125 GeV 질량의 새로운 보존 (boson) 입자의 발견과 관련하여 PQ 대칭화된 NMSSM (Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, 버금 최소 초대칭 표준모형)을 연구하였다. 이 새로운 입자는 현재까지 거의 힉스 입자인 것으로 추정되고 있는데, 125 GeV의 특수한 질량값을 생각했을 때, MSSM에서는 파라미터 간의 상당한 정도의 미세 조정을 피할 수 없다. 따라서 이는 이론의 자연스러움의 관점에서 MSSM 이상의 대안을 필요로 한다고 할 수 있고, 가장 단순하면서 가능한 확장으로서 NMSSM을 생각해볼 수 있다. 한편 강력의 CP 문제에 관한 액시온 해법을 도입한다고 할 때, PQ 대칭화된 NMSSM을 구성할 수 있고 여기서는 그 가장 단순화된 버전의 현상론을 살펴보았다. 결론적으로 이 모형은 일반적으로 가벼운 뉴트랄리노 질량과 그로 인한 힉스의 비가시적 붕괴(invisible decay) 현상으로 매우 제한적인 파라미터 영역에서 실험 데이터와 부합할 수 있는 것으로 나타난다. 한편 PQ 섹터의 도입은 특히 제한적인 암흑 물질의 제논 100 (Xenon 100) 실험의 직검출 한계를 피할 수 있게 해주어, 125 GeV 힉스 질량을 주면서 모든 관측, 실험 제한조건과 부합하는 파라미터 영역을 줄 수 있다. 자연스러움의 관점에서 보았을 때에는 $ \tan \beta < 2$ 인 영역이 선호되며, 힉스-2 광자 붕괴 신호를 현재까지 데이터만큼 크게 주기 위해서는 이 영역만이 가능한 것으로 나타난다. 이 때 힉스-2 광자 붕괴 신호의 증가는 차지노(chargino) 룹을 통해서 이루어지는 상황을 생각했으며, 무거운 더블릿 힉스(heavy doublet Higgs)의 질량이 480 GeV 이하여야 함을 보았다. 그러나 이 모든 제한 조건은 최소 PQ-NMSSM에 국한되며, 초퍼텐셜(superpotential)에 싱글리노(singlino)의 질량항 $S^2$ 을 포함하는 좀더 일반적인 PQ-NMSSM에서는 뉴트랄리노의 일반적인 질량이 더 무거울 수 있고, 따라서 힉스의 비가시적 붕괴와 힉스-2 광자 붕괴 신호와 관련된 제한 조건들이 완화될 수 있다. 마지막으로 최소 PQ-NMSSM의 LHC 신호와 관련하여 시뮬레이션이 수행되었는데, 일반적으로 여러 탑, 바텀 쿼크에서 비롯되는 다중 젯 (jet) 신호와 매우 가벼운 뉴트랄리노로 인한 h/Z/W를 동반한 분실 에너지(missing energy) 신호로 구성되며, 이는 14 TeV LHC 실험 초기에 발견될 수 있을 것이다.
