[論文レビュー] Collider signatures of low scale supersymmetry breaking: A Snowmass 2013 White Paper

Emilian Dudaş, Christoffer Petersson+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、TeVスケール近くで低エネルギーにわたる超対称性（SUSY）の破れにおいて、自発的SUSY破れのNambu-Goldstoneモードたるゴールドスティノとスゴルドスティノが、標準模型と超対称パートナ間の新しい相互作用を媒介することを調査している。特徴的なシグナルとして、共鳴的二光子、二ジェット、二ボソン最終状態、モノ光子＋欠損エネルギーおよび四光子への異常なヒッグス崩壊、および修正されたヒッグスカップリングが同定され、これらはすべてソフトSUSY破れパラメータに敏感であり、超対称パートナースペクトルを統合的に探査可能である。

ABSTRACT

We consider the possibility that supersymmetry is broken at a low scale, within one order of magnitude above the TeV scale. In such a case, the degrees of freedom associated with the spontaneous breaking of supersymmetry, the goldstino fermion and its scalar superpartner (the sgoldstino), can have significant interactions with the Standard Model particles and their superpartners. We discuss some characteristic processes, involving the goldstino and the sgoldstino, and the collider signatures they give rise to. These signatures involve scalar resonances in the di-photon, di-jet, di-boson and di-tau channels, the possible relation between these resonances and deviations in the Higgs couplings as well as exotic Higgs decays in the monophoton+MET and the four photon channels.

研究の動機と目的

• TeVスケール近くで自発的SUSY破れが起こる低スケールでの超対称性破れの素性的結果を調査すること。ここでゴールドスティノとスゴルドスティノは質量が小さくなり、標準模型およびその超対称パートナと強く結合する。
• ゴールドスティノとスゴルドスティノの相互作用に起因する、従来のSUSYモデルに存在しない特徴的なコライダー・シグナルを同定すること。
• 共鳴的スカラー状態や異常なヒッグス崩壊といったこれらのシグナルが、LHCで探査可能であり、超対称パートナースペクトルを統合的に観察する窓口を提供することを示すこと。
• 初期LHCデータにおける信号の不在を踏まえ、低スケールSUSY破れを標的とした体系的な実験プログラムの推進を提唱すること。

提案手法

• 論文は、F項真空期待値fが非ゼロであるゲージシングレットの複素スケール超多重項Xの成分としてゴールドスティノとスゴルドスティノをモデル化し、SUSYを自発的に破る。
• スカラー質量、ゲージノ質量などのソフトSUSY破れ項を、X超多重項を含むSUSY不変オペレータに拡張し、ソフト質量とfの比に比例する相互作用を生成する。
• 得られる有効ラグランジアンには、スーパーカレントおよび標準模型の超対称パートナへのゴールドスティノの微分および非微分的結合が含まれ、その強さはソフトパラメータをfで割ったものに比例する。
• 特に、h → γγ、h → jj、h → 4γ、h → γ + E_T、およびh → ZZ*といった過程を分析し、ヒッグスがゴールドスティノ対に崩壊するか、中間的なスゴルドスティノ共鳴状態を介して崩壊する場合を検討する。
• 特に二光子および四光子最終状態において、運動的制約および位相空間の検討を実施し、スゴルドスティノ質量および崩壊モードの役割を評価する。
• スピンおよびローレンツ構造ごとの信号同定に不可欠な、実験的効率および受容率の測定の重要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SUSYがTeVスケールで破れる場合、質量の小さいゴールドスティノとスゴルドスティノが存在するとき、どのようなコライダー・シグナルが生じるか？
• RQ2 ゴールドスティノとスゴルドスティノが標準模型および超対称パートナーフィールドと結合することで、ヒッグス粒子の崩壊および生成断面積にどのような変化が生じるか？
• RQ3 スゴルドスティノの交換によって、二光子、二ジェット、二ボソン最終状態における共鳴的スカラー状態が生成可能か？ その運動的性質は何か？
• RQ4 h → モノ光子＋欠損エネルギー や h → 4γ といった異常なヒッグス崩壊が、低スケールSUSY破れを探査するのにどの程度有効か？
• RQ5 既存の実験的解析は、欠損エネルギーおよび凝集した光子最終状態の文脈において、これらのシグナルを検出するためにどのように適合可能か？

主な発見

• 共鳴的スカラー状態は、質量の小さいスゴルドスティノの崩壊から生じる二光子、二ジェット、二ボソンチャンネルに現れ、共鳴エネルギーはヒッグス粒子質量とスゴルドスティノ質量によって制限される。
• ヒッグスが二つのゴールドスティノに崩壊する（h → GG）場合、モノ光子＋欠損エネルギー最終状態が生じ、光子の横方向運動量の上限はm_h/2 ≈ 63 GeVに達する。
• ヒッグスが四光子または二光子＋二ジェットに崩壊する場合、二体崩壊h → xx（xは質量の小さいスゴルドスティノ）を経由し、その後スゴルドスティノがγγ、jj、またはττに崩壊する。四光子最終状態は、スゴルドスティノ質量が100–400 MeV以上であれば再構成可能である。
• スゴルドスティノは、ヒッグスと光子・グルーオンのカップリングを修正する媒介粒子となり得る。その結果、ヒッグス信号強度の変動が生じ、これはソフトSUSY破れスケールおよび超対称パートナーマスに敏感である。
• 論文は、4ジェット最終状態はQCDバックグラウンドに埋もれるが、スゴルドスティノがbクォークに崩壊する場合、2b2jおよび4b最終状態におけるbタグを用いることで探査可能であると指摘する。
• 著者らは、既存の二光子およびモノ光子＋欠損エネルギー最終状態の実験解析が、スピンおよびローレンツ構造ごとの詳細な効率および受容率情報が得られれば、これらのシグナルを検出するために再利用可能であると主張する。