[論文レビュー] Helmholtz Aliance Linear Collider Forum

Moortgat-Pick, Gudrid, Fleck, I.+110 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、長寿命の電荷を帯びたステウ中間粒子（NLSP）が重力レプトンまたはアキシノLSPに崩壊する場合、ILC/CLIC加速器が超対称性破れスケールおよびPeccei-Quinnスケールを直接探査できる可能性を提案している。停止したステウを捕えることでその崩壊運動学的性質を解析し、ILC/CLICは重力レプトン質量を10%の精度で測定可能であり、3体崩壊の角度分布およびエネルギー分布を用いて重力レプトンとアキシノLSPを区別できる。

ABSTRACT

Supersymmetric scenarios with a very weakly interacting lightest superpartner (LSP) - like the gravitino or axino - naturally give rise to a long-lived next-to-LSP (NLSP). If the NLSP is a charged slepton it leaves a very distinct signature in a collider experiment. At the ILC/CLIC it will be possible to capture a significant fraction of the produced charged sleptons and observe their decays. These decays potentially reveal the nature of the LSP and thus provide a unique possibility to measure the properties of a very weakly interacting LSP which otherwise is most likely hidden from any other observation, like direct or indirect dark matter searches. We review the proposals that have been made to measure the LSP properties at the ILC/CLIC and compare its potential to the capability of the LHC.

研究の動機と目的

• 重力レプトンまたはアキシノLSPを持つ超対称モデルにおいて、長寿命の電荷を帯びたステウNLSPの性質をILC/CLICが測定可能な可能性を調査すること。
• 特に長寿命粒子の検出と測定に関して、ILC/CLICの感度をLHCのそれと比較すること。
• 停止したステウを捕らえ、LSPの質量、寿命、スピンといった性質を抽出するための実験的戦略を開発すること。
• 3体崩壊における運動学的分布、特に光子-タウの角度およびエネルギー相関を用いて、重力レプトンとアキシノLSPを区別すること。
• 重力レプトン崩壊運動学的性質を用いてプランク質量および超対称性破れスケールを測定することで、超重力理論をテストすること。

提案手法

• 停止ステウの2体崩壊運動学的性質を用い、タウレプトンの反動エネルギーからLSP質量を式 $ m_{LSP} = \sqrt{m^2_{\tilde{\tau}_1} + m^2_\tau - 2m_{\tilde{\tau}_1} E_\tau} $ により再構築する。
• 重力レプトンの崩壊幅は $ \Gamma(\tilde{\tau}_1 \to \gamma \tilde{G}) \propto m^5_{\tilde{\tau}_1} / (m^2_e M^2_{\text{Pl}}) $ で与えられ、他の超対称性パラメータに依存しない。
• アキシノLSPの場合、ループ誘導型であり、Peccei-Quinnスケール $ f_a $、ビノ質量 $ m_{\tilde{B}} $、混合角に依存する。
• ILC/CLICによるステウ質量、寿命、崩壊生成物の高精度測定により、$ \langle F \rangle = \sqrt{3} M_{\text{Pl}} m_{\tilde{G}} $ を用いて超対称性破れスケールを決定可能である。
• 3体崩壊の分布を $ x_\gamma = 2E_\gamma / m_{\tilde{\tau}_1} $ および $ \cos\theta $ に関して用い、重力レプトン（軟らかく、共線的光子）とアキシノ（背対、エネルギーの高い光子）LSPを区別する。
• 実験的手法には、停止ステウを収集するためのアクティブストッパー材料や水タンクの設置、およびビームの偏光を用いてステウ生成断面積を最大3倍まで向上させることが含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命ステウNLSPを有するベンチマーク例において、ILC/CLICは10%未満の精度で重力レプトン質量を測定可能か？
• RQ2 停止ステウの3体崩壊運動学的性質を用いて、ILC/CLICは重力レプトンとアキシノLSPを区別可能か？
• RQ3 ILC/CLICは超対称性破れスケール $ \langle F \rangle $ に対してどの程度の感度を有するか。また、超重力理論をテスト可能か？
• RQ4 長寿命の電荷を帯びた粒子の検出および特徴付けに関して、ILC/CLICのステウ崩壊測定能力はLHCのそれと比べてどのように差異を示すか？
• RQ5 重力結合をプローブできる程度の精度で、ステウNLSPの寿命を測定可能か？

主な発見

• GDM ζベンチマーク（m_\tilde{\tau}_1 = 346 GeV, m_\tilde{G} = 100 GeV）では、800 GeVの中心系エネルギーと1000 fb⁻¹の統計量で、重力レプトン質量が10%の精度で測定可能である。
• GDM ηベンチマーク（m_\tilde{\tau}_1 = 327 GeV, m_\tilde{G} = 20 GeV）では、測定不確かさが真の値と同等に抑えられ、非常に高い精度が達成可能である。
• 両ベンチマークにおいて、非偏光ビームを用いても、ステウ質量は0.1%、寿命は1〜3%の精度で測定可能である。
• ビーム偏光を用いることで、停止ステウの数を約3倍に増加でき、測定精度が著しく向上する。
• 3体崩壊において、10⁴件の解析崩壊のシナリオで、重力レプトンLSPでは110 ± 10イベント、アキシノLSPでは165 ± 13イベントが予想され、角度分布およびエネルギー分布を用いた明確な区別が可能である。
• $ x_\gamma $ および $ \cos\theta $ における3体崩壊分布は明確なピークを示す：重力レプトンでは軟らかく共線的光子、アキシノでは背対でエネルギーの高い光子であり、適切なカットを施すことにより明確な分離が可能である。