[論文レビュー] Electroweakino Searches: A Comparative Study for LHC and ILC (A Snowmass White Paper)

M. Berggren, Tao Han+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、最小超対称標準模型（MSSM）を焦点として、LHCとILCにおける電弱ノキン探索の比較研究を実施している。Bino-, Wino-, Higgsino-様LSPのシナリオにおいて、対生成および$Wh$（$h\to b\bar{b}$）への崩壊を評価し、14 TeVで300 fb$^{-1}$のLHCでは$M_2,\mu \sim 480-700$ GeVの領域を95%信頼水準で除外可能であり、5$\sigma$発見は320-500 GeVの領域で達成可能であると判明した。一方、運動的閾値を超えた段階では、ILCが質量および結合定数の測定において優れた精度を発揮する。

ABSTRACT

We make a systematic and comparative study for the LHC and ILC for the electroweakino searches in the Minimal Supersymmetric Standard Model. We adopt a general bottom-up approach and scan over the parameter regions for all the three cases of the lightest supersymmetric particle being Bino-, Wino-, and Higgsino-like. The electroweakino signal from pair production and subsequent decay to Wh (h to b\bar b) final state may yield a sensitivity of 95% C.L. exclusion (5sigma discovery) to the mass scale M_2, mu ~ 250-400 GeV (200-250 GeV) at the 14 TeV LHC with an luminosity of 300 fb^{-1}. Combining with all the other decay channels, the 95% C.L. exclusion (5sigma discovery) may be extended to M_2, mu ~ 480-700 GeV (320-500 GeV). At the ILC, the electroweakinos could be readily discovered once the kinematical threshold is crossed, and their properties could be thoroughly studied.

研究の動機と目的

• MSSMにおけるモデルに依存しない手法で、LHCおよびILCにおける電弱ノキン探索の感度を評価すること。
• カラーダイレクトなSUSYパートナが重く、生成が電弱過程に支配される状況における、チョリノとニュートラリノの発見可能性を評価すること。
• Bino-, Wino-, Higgsino-様LSPの3種類のLSPタイプについて、圧縮スペクトルを焦点として、LHCとILCの探索能力を比較すること。
• 特に$h\to b\bar{b}$を伴う$Wh$チャネルを含む、複数の崩壊チャネルの相乗効果が、LHCにおける発見可能性をどのように向上させるかを調査すること。
• ILCが圧縮スペクトルにおいても、電弱ノキンの質量および結合定数を高精度で測定できる能力を示すこと。

提案手法

• MSSMのパラメータ空間$M_1, M_2, \mu$を下からスキャンし、$100 < M_1, M_2, |\mu| < 1000$ GeVおよび$3 < \tan\beta < 50$の範囲をカバーする。
• チョリノおよびニュートラリノの対生成と崩壊チェーンを分析し、$Wh$（$h\to b\bar{b}$）を含む最終状態、二レプトン、三レプトン、単一レプトンモードに注目する。
• ILCにおける信号の有意性を推定するための高速シミュレーションを実施し、$\sqrt{s} = 500$ GeV、500 fb$^{-1}$の統計的条件のもとで$S/\sqrt{B} > 3\sigma$の発見可能性を評価する。
• LHCおよびILCの条件に応じた信号およびバックグラウンドモデルを用いて、95%信頼水準の除外および5$\sigma$発見の統計的基準を適用する。
• 質量スプリングが小さい圧縮されたILCシナリオにおける感度を向上させるために、初期状態放射（ISR）を考慮する。
• ILCにおける質量および結合定数の測定精度を評価し、質量および断面積に対して$O(1\%)$の解像度を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVのLHCで300 fb$^{-1}$のデータを得た場合、$Wh$（$h\to b\bar{b}$）への対生成および崩壊の探索感度はどの程度か？
• RQ2 複数の崩壊チャネル（$Wh$、二レプトン、三レプトンなど）を組み合わせることで、LHCにおける電弱ノキンの除外および発見領域はどの程度向上するか？
• RQ3 ILCが$\sqrt{s} = 500$ GeVで電弱ノキンの探索を実施した場合、特に質量スプリングが小さい圧縮スペクトルにおいて、どの程度の発見可能性があるか？
• RQ4 ILCが$O(1\%)$の精度で電弱ノキンの質量および結合定数を解明できる範囲はどの程度か？また、LHCの能力と比較してどうなるか？
• RQ5 Bino-, Wino-, Higgsino-様LSPの素性の違いが、生成および崩壊のシグネチャにどのように現れるか？各タイプに対して最も感受性が高い最終状態は何か？

主な発見

• 14 TeVのLHCで300 fb$^{-1}$のデータを得た場合、$Wh$（$h\to b\bar{b}$）最終状態では、95%信頼水準で$M_2, \mu \sim 250-400$ GeVまでの電弱ノキン質量を除外可能であり、5$\sigma$発見は200-250 GeVまで達成可能である。
• すべての崩壊チャネルを組み合わせた場合、LHCの95%信頼水準での除外領域は$M_2, \mu \sim 480-700$ GeVまで拡大され、5$\sigma$発見領域は320-500 GeVまで達成される。
• ILCが$\sqrt{s} = 500$ GeV、500 fb$^{-1}$の条件のもとで、$S/\sqrt{B} > 3\sigma$の感度が中心エネルギーのおおよそ半分の質量、つまりWino-またはHiggsino-様NLSPでは約500 GeVまで達成される。
• Higgsino-様LSPでは、質量差$\Delta M = M_{\chi_1^\pm} - M_{\chi_1^0}$と$M_{\chi_1^\pm}$の平面において、質量スプリングが数百MeVから数GeVの圧縮領域でも高い統計的有意性が得られる。
• ILCは電弱ノキンの質量および結合定数を$O(1\%)$の精度で測定可能であり、多重量子領域（数TeV）においても$M_1$および$M_2$の制約が可能となる。
• ILCはチョリノおよびニュートラリノの信号を明確に分離でき、LHCとは異なり、バックグラウンドや組み合わせの不確実性の制限を受けにくく、電弱ノキンスペクトルおよび性質の完全な再構成が可能となる。