[論文レビュー] Leaving no stone unturned in the hunt for SUSY naturalness: A Snowmass whitepaper

Howard Baer, V. Barger+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

このSnowmass白書は、放射的に駆動される自然なSUSY（RNS）モデルにおいて、電弱微調整が小さい（$\Delta_{\text{EW}} \lesssim 30$）場合、軽いヒッグスノ（$\sim 100-300$ GeV）、圧縮スペクトル、グルーコンが1-5 TeVに位置することを予測し、同じ符号の二ボソン（SSdB）生成やマルチレプトン＋欠損エネルギー終状態といった特徴的なLHCのシグネチャをもたらす。主な結果として、$\sqrt{s} \sim 600$ GeVのILCは、残りの自然性パラメータ空間を完全に探査可能であり、トンスケールのWIMP検出器は、axion寄与が再結合密度を希釈させても、$\Omega_{\tilde{h}}h^2 \sim 0.01$のヒッグスノに似たダークマターを検出可能である。

ABSTRACT

Imposing electroweak scale naturalness constraints (low Δ_{EW}) on SUSY models leads to mass spectra characterized by light higgsinos ~100-300 GeV, highly mixed top-squarks and gluinos at the 1-5 TeV scale and allows for m_h ~125 GeV. First and second generation squarks can easily live at the 5-20 TeV scale, thus providing at least a partial solution to the SUSY flavor/CP problems. For such models at the LHC, gluino pair production is followed by cascade decays to t- and b-quark rich final states along with multileptons. The reach of LHC14 with 300 fb^{-1} is computed to be around m_{ g} 1.8 TeV. However, the small magnitude of the μ-parameter-- a necessary condition for naturalness-- leads to a unique hadronically quite same-sign diboson (W^\pm W^\pm) signature from wino pair production. In low Δ_{EW} models with unified gaugino masses, this signature yields a somewhat higher reach up to m_{ g} 2.1 TeV. The smallness of |μ| implies that the ILC should be a higgsino factory in addition to a Higgs factory, and a complete search for SUSY naturalness seems possible for \sqrt{s} 600 GeV. Since a thermal under-abundance of higgsino-like WIMP dark matter (DM) is expected, there is ample room for an axion DM contribution. A thorough search for higgsino-like WIMPs can be made by next generation WIMP detectors, such as those with ton-scale noble liquid targets.

研究の動機と目的

• 放射的に駆動される自然なSUSY（RNS）モデルで$\Delta_{\text{EW}}$が小さい場合の素粒子的シグネチャを特定すること。
• LHC（14 TeV、300 fb$^{-1}$）およびILCによるこれらのモデルの探査能力を評価すること。
• RNSフレームワークにおいて、ヒッグスノに似たWIMPとaxion寄与がダークマター候補として実現可能かどうかを評価すること。
• 直接検出および将来のコライダーによる圧縮されたヒッグスノスペクトルの検出可能性を特定すること。

提案手法

• ヒッグスポテンシャルの放射的最小化により$\Delta_{\text{EW}}$を小さくし、$|\mu| \sim 100-300$ GeVおよび$|m_{H_u}^2| \sim 100-300$ GeVを要求すること。
• NUHM2モデルを用いて$ m_0 = 5 $ TeV、$ \tan\beta = 15 $、$ A_0 = -1.6m_0 $、$ m_A = 1 $ TeVのRNSを実現すること。
• グルーコン対生成（$\tilde{g}\tilde{g}$）およびウィノ対生成からの同じ符号の二ボソン（SSdB）生成を通じてLHCの探査能力を計算すること。
• ILCにおけるヒッグスノ対生成の感度を$\sqrt{s} = 250$、500、1000 GeVで評価し、特に$\sqrt{s} > 2|\mu|$の領域に注目すること。
• ヒッグスノに似たWIMPの熱的再結合密度を評価し、axion/WIMPの共凝縮およびセクサジョンの崩壊に起因するエントロピー希釈をモデル化すること。
• ヒッグスノの支配的でない割合を考慮するために、$\xi = \Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 / 0.12$を用いて直接検出限界をスケーリングすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC14（14 TeV、300 fb$^{-1}$）は、低$\Delta_{\text{EW}}$ RNSモデルにおいて$ m_{\tilde{g}} \sim 1.8 $ TeVまでのグルーコンを発見可能か？
• RQ2 ウィノ対生成からの同じ符号の二ボソン生成は、RNSモデルにおける軽いヒッグスノのための独自のシグネチャを提供するか？
• RQ3 ILCが$\sqrt{s} \sim 600$ GeVで、$\Delta_{\text{EW}} < 30$の残りの自然性パラメータ空間を完全に探査可能か？
• RQ4 axion寄与による再結合密度の抑制が予想される場合、トンスケールの希少液体検出器におけるヒッグスノに似たWIMPの検出可能性はいかがなものか？
• RQ5 $ f_a \sim 10^{12}-10^{16} $ GeVの混合axion-ヒッグスノダークマターは、BBNおよびダーク放射の制約を満たしつつ、$\Omega_{\text{DM}}h^2 \approx 0.12$を達成可能か？

主な発見

• LHC14（300 fb$^{-1}$）は$\tilde{g}\tilde{g}$生成を通じて$ m_{\tilde{g}} \sim 1.8 $ TeVまでのグルーコン質量を探査可能であり、ゲージノ質量統一の下では、同じ符号の二ボソン（SSdB）シグネチャにより、$ m_{\tilde{g}} \sim 2.1 $ TeVまで探査可能である。
• ILCが$\sqrt{s} \sim 600$ GeVで、$\Delta_{\text{EW}} < 30$の残りのパラメータ空間を完全に探査可能であり、ヒッグスノを発見するか、SUSY電弱自然性を否定することができる。
• ヒッグスノに似たWIMPの熱的再結合密度は$\Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 \sim 0.007-0.01$であり、観測された$\Omega_{\text{DM}}h^2 \approx 0.12$よりも著しく小さいため、追加のダークマター成分が不可欠である。
• $ f_a \sim 10^{12}-10^{16} $ GeVのaxion寄与はヒッグスノと共存可能であり、セクサジョンの崩壊に起因するエントロピー希釈により再結合密度が抑制されつつも、BBNおよびダーク放射の制約を満たすことができる。
• Xe-1トンのようなトンスケールの希少液体検出器は、$\xi = \Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 / 0.12$を用いて局所的WIMP密度の低下を補正した後でも、モデルのパラメータ空間を完全に探査可能である。
• 圧縮されたヒッグスノスペクトル（$\sim$10-20 GeVの質量ギャップ）はLHCでは検出不能であるが、自然性にとって不可欠であり、将来のコライダーおよび直接検出実験で検出可能である。