We physicists are on a journey towards the ultimate theory which describes everything in our Universe. A great milestone achieved in 2012 is the discovery of the Higgs boson by the CMS and the ATLAS collaborations at the Large Hadron Collider (LHC); it completes the Standard Model of particle physics, which was developed through the mid to late twenties century.

The long twentieth century was over. Happily making a steppingstone of the Standard Model, we are now heading to more fundamental theories. Nature has manyunsolved features: the Dark Matter, the Dark Energy, and the mechanism which produced current baryon asymmetry of our Universe, etc. Also we have to build a unified explanation of the three forces embedded in the Standard Model, and to develop adescription of the gravitational force in the language of the quantum theories.

The supersymmetry is one of the most promising candidates for theories beyond the Standard Model, and its tail was expected to be caught at the early stage of the LHC. However, our expectation was not fulfilled, and we have no footprints observed yet. What does this mean?

The current status of the supersymmetric theories is described in this dissertation. First, the simplest model of supersymmetric Standard Model is introduced, which is called the MSSM. Under this framework, the discrepancy in the muon anomalousmagnetic moment between the prediction from the Standard Model and the experimental result suggests the supersymmetric particles are of order 100 GeV, which isalso supported by discussions on the little hierarchy problem. However, the LHC experiments have found no scalar-quarks or gluinos in such mass range, and moreover,the Higgs boson mass of 126 GeV requires, within the MSSM framework, the scalartop mass of order 1-10TeV. This current status forces us to abandon the simplestsupersymmetry-breaking frameworks of the CMSSM and the GMSB scenarios.

Two promising possibilities remain there: the first is that the scalar-quarks and thegluino are much heavier than of order 100 GeV while the other SUSY particles remainnear the order, and the second is to extend the MSSM with extra fields. The secondscenario is investigated in this dissertation; the V-MSSM is proposed as an extensionof the MSSM with a (10 + 10) pair of the SU(5) decuplets. In the framework theHiggs mass is increased by effect from the extra matters, and thus the 126 GeV isachieved with the scalar-top having a lighter mass. This fact resurrects the CMSSMand the GMSB scenarios. This dissertation examines the GMSB scenario under theV-MSSM; it is called V-GMSB scenario.

It is shown that the V-GMSB has a potential to realize the 126 GeV mass of the Higgs boson with holding the explanation of the muon magnetic moment discrepancy, if the masses of the extra quarks are approximately less than 1.2TeV. Constraints on the V-GMSB from the LHC experiments are discussed then; it is concluded that the gluino mass must be approximately heavier than 1.1TeV, and that the extra quarks be heavier than 300{650 GeV depending on the decay branches of them.

LHC prospects are briey discussed. As the extra quarks are expected to be approximately less than 1.2TeV, searches for the particles are of great interest at the 14TeV LHC; constraints from the supersymmetry search, especially on the gluino mass, are expected to be much improved there. Therefore, it is expected that the fate of the V-GMSB is adjudicated at the court of the 14TeV LHC.

本論文は、5.4節から5節の最後までが、論文提出者とその共同研究者によって得られた研究成果に基づくものであり、2節―4節、および5.1-5.3節が、それ以前にすでに知られていた内容の概説である。

電弱エネルギースケール (100 GeV – 1 TeV) の物理の輻射補正に対する安定性、mu 粒子の異常磁気能率の標準模型の予言からのズレ、暗黒物質の存在、高エネルギーでの力の統一の可能性、などの観点から、電弱エネルギースケールよりいくらか上のエネルギースケールにおいて、超対称性が見られるのではないか、という理論的期待がこれまでなされてきた。近年の LHC 実験による Higgs 粒子(の性質に矛盾のない新粒子)の発見で、その粒子が 125-126 GeV 程度の質量を持つと分かったことは、その超対称性の仮説とは大きく矛盾はしないものの、最も単純な超対称模型では、上記全ての動機を満足させることはできないということを意味している。

超対称標準模型を「最も単純」から少し変更して、それらの動機をより多く満足させる試みが既になされていて、そのうちの一つが、Moroi-Okada ('92) や、Martin ('09) らの研究に始まる模型であり、本論文では、v-MSSM (vector-like Minimal Supersymmetric Standard Model) と呼ばれている。

本論文の5.4節から5節の最後にいたる部分では、論文提出者らによるこの模型の現象論的研究が紹介されている。

Higgs 粒子が 126 GeV の質量を持つべきこと、

現時点で、LHC 実験では標準模型以外の粒子が発見されていないこと、

の2条件のほかに、この v-MSSM 模型に真空不安定性の可能性があることを指摘した上で、安定性条件を課して、この模型の真に有効なパラメター領域を求めた。その有効なパラメター領域内において、mu 粒子の異常磁気能率の標準模型の予言値からのズレが、よく説明できることが示されている。そして、この模型に特有な新粒子を LHC 実験においていかに発見すべきか、ということが論じられている。

なお、本論文の5.4節から5節の最後にいたる部分は、共同研究者、遠藤基、浜口幸一、横崎統三、石川和哉氏との共同研究に基づくものであるが、論文提出者による現象論的解析への貢献大であると判断する。したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。

審査委員会を代表して、主査、渡利泰山 (平成25年2月19日)