[論文レビュー] Contrasting Supersymmetry and Universal Extra Dimensions at Colliders

M. Battaglia, Asesh K. Datta+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、CLICのような高エネルギー $e^+e^-$ コライダーにおける角分布、放射的還元光子スペクトル、および全断面積測定を用いて、コライダーにおいてスーパーシンメトリー（SUSY）とユニバーサル・エキストラ・ディメンション（UED）を区別する方法を提案している。主な発見は、UEDでは $Z_2$ 共鳴により放射的還元過程における光子エネルギースペクトルに鋭いピークが現れるが、SUSYではそのようなピークがないため、検出器効果が加わっても、明確な識別子が得られることである。

ABSTRACT

We contrast the experimental signatures of low energy supersymmetry and the model of Universal Extra Dimensions and discuss various methods for their discrimination at hadron and lepton colliders. We study the discovery reach of hadron colliders for level 2 Kaluza-Klein modes, which would indicate the presence of extra dimensions. We also investigate the possibility to differentiate the spins of the superpartners and KK modes by means of the asymmetry method of Barr. We then review the methods for discriminating between the two scenarios at a high energy linear collider such as CLIC. We consider the processes of Kaluza-Klein muon pair production in universal extra dimensions in parallel to smuon pair production in supersymmetry. We find that the angular distributions of the final state muons, the energy spectrum of the radiative return photon and the total cross-section measurement are powerful discriminators between the two models.

研究の動機と目的

• ハドロンおよびレプトンコライダーにおいて、スーパーシンメトリー（SUSY）とユニバーサル・エキストラ・ディメンション（UED）を区別できる実験的観測量を特定すること。
• 特に二重レプトン終状態を介して、LHCおよびテバトロンにおけるレベル2 Kaluza-Klein（KK）モードの発見可能性を評価すること。
• 両モデルにおける新しい粒子のスピンを調べるための、角非対称性および運動学的分布の有効性を評価すること。
• CLICのような高エネルギー $e^+e^-$ コライダーにおける放射的還元過程が、光子エネルギースペクトルを通じてUEDとSUSYを区別できるかどうかを検証すること。
• 断面積、角分布、エネルギースペクトルの組み合わせ測定を用いたモデル区別のフレームワークを提供すること。

提案手法

• Barrの非対称性手法を用いて、UEDとSUSYにおける $e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^-$ 過程の最終状態ミューオンの角分布を比較し、スピン量子数を調べる。
• UEDでは $s$-チャンネルの $Z_2$ 共鳴により、$e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^\gamma$ における放射的還元光子のエネルギースペクトルに鋭いピークが現れるが、SUSYではそのようなピークがないことの分析。
• 両モデルにおける $\mu_1\mu_1$ 対生成の全断面積を測定し、その値が顕著に異なり、識別子として機能すること。
• ジェネレータレベルおよび検出器シミュレーション済みのミューオンエネルギースペクトルを用いて運動学的端点を抽出し、両モデルに共通して適用可能な式 $E_{\text{max/min}} = \frac{1}{2}M_{\tilde{\mu}}(1 - \frac{M^2_{\tilde{\chi}^0_1}}{M^2_{\tilde{\mu}}})\gamma(1 \pm \beta)$ を用いる。
• ISR補正および検出器効果（ビームストラウルング、エネルギー分解能、受容率カット）を適用し、現実的な実験条件を再現する分析。
• 公平な比較のため、SUSYおよびUEDのパラメータを調整し、スペクトルが一致するようにし、特にスミューオンおよび $\mu_1$ の質量を調整して運動学的端点が同等になるように設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^-$ イベントにおける最終状態ミューオンの角分布が、スピン相関効果を通じてUEDとSUSYを区別できるか？
• RQ2 $e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^\gamma$ における放射的還元光子スペクトルに、UEDでは $Z_2$ 共鳴により鋭いピークが現れ、SUSYではその特徴が欠如するか？
• RQ3 同じ運動学的端点を持つ条件下で、CLICにおける $\mu_1\mu_1$ 対生成の全断面積が、UEDとSUSYを区別できるか？
• RQ4 ビームストラウルングや運動量分解能といった検出器効果が、ミューオンエネルギースペクトルにおける運動学的端点の解像度をどの程度低下させるか？
• RQ5 10 fb$^{-1}$ の統合した光度を持つLHCで、レベル2 KKゲージボソン（$\gamma_2$, $Z_2$）の二重レプトン終状態における $5\sigma$ 発見限界を達成できるか？

主な発見

• 10 fb$^{-1}$ の光度を持つLHCにおける $\gamma_2$ の $5\sigma$ 発見限界は、宇宙論的に好ましいすべてのUEDパrameter空間をカバーしており、$n=2$ KKクォークの崩壊による間接的生成も含む。
• UEDにおける放射的還元光子スペクトルには、$E_\gamma = \frac{1}{2}E_{\text{CM}}(1 - \frac{M^2_{Z_2}}{E^2_{\text{CM}}})$ における鋭いピークが現れるが、SUSYでは $s$-チャンネルでのオンシェル $Z_2$ 交換がないため、そのピークは存在しない。
• UEDにおける光子ピークは、ビームストラウルングやエネルギー分解能といった検出器効果に対しても頑健であり、受容率カット後でもシミュレートされたスペクトルにおいて明確に可視化される。
• UEDとSUSYにおける $\mu_1\mu_1$ 対生成の全断面積は顕著に異なり、強力な独立した識別子を提供する。
• ミューオンエネルギースペクトルにおける運動学的端点は明確に定義されており、測定可能であり、しきい値スキャン後に $\gamma_1$ および $\mu_1$ の質量を抽出可能である。スメアリングは主にビームストラウルングに起因する。
• UEDにおける角分布非対称性（$R^{-1} = 500$ GeVの場合）は、スピン相関を無視してもSUSYとは明確に区別可能であり、その識別力の頑健さを示している。