[論文レビュー] Les Houches "Physics at TeV Colliders 2003" Beyond the Standard Model Working Group: Summary Report

B. C. Allanach, Aranda, A.+58 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 49

ひとこと要約

この論文は、TeVスケールの衝突加速器における標準模型を越えた（BSM）物理学について包括的な分析を提示している。主な焦点は、超対称性（MSSM）、追加次元、および$Z^\prime$ボソンである。MSSMスペクトル計算のための標準化されたツールを導入し、異なるコード間でのダークマターの残存密度を評価した。さらに、LHCと線形衝突加速器のデータを組み合わせることで、SUSYパラメータの高精度な決定が可能であることを示した。主な結果として、100 fb$^{-1}$の統計的精度を用いたクロスセクション、非対称性、およびラピディティ分布の測定により、$Z^\prime$ボソンを2–2.5 TeVまで区別可能であることが分かった。

ABSTRACT

The work contained herein constitutes a report of the ``Beyond the Standard Model'' working group for the Workshop "Physics at TeV Colliders", Les Houches, France, 26 May--6 June, 2003. The research presented is original, and was performed specifically for the workshop. Tools for calculations in the minimal supersymmetric standard model are presented, including a comparison of the dark matter relic density predicted by public codes. Reconstruction of supersymmetric particle masses at the LHC and a future linear collider facility is examined. Less orthodox supersymmetric signals such as non-pointing photons and R-parity violating signals are studied. Features of extra dimensional models are examined next, including measurement strategies for radions and Higgs', as well as the virtual effects of Kaluza Klein modes of gluons. An LHC search strategy for a heavy top found in many little Higgs model is presented and finally, there is an update on LHC $Z'$ studies.

研究の動機と目的

• スペクトル生成機、崩壊パッケージ、イベント生成機の間で相互運用性を確保するため、MSSMモデル入力、質量スペクトル、崩壊表のためのユニバーサルインターフェース標準を定義する。
• mSUGRA条件下での4つの公開MSSMスペクトルコード（ISASUGRA, SOFTSUSY, SPHENO, SUSPECT）の中性子長のダークマター残存密度予測を比較する。
• SFITTERを開発・検証し、質量、分岐比、クロスセクションなどの衝突加速器データを用いたSUSYモデルパラメータのフィッティングを可能にする。
• SDECAYを提示・ベンチマークし、QCDおよび電磁的補正を含む2体、3体、4体崩壊のMSSM粒子の崩壊幅および分岐比を計算するFortranコードを提供する。
• LHCにおける最軽いチャリオネ質量の測定可能性を評価し、LHCと将来の$e^+e^-$線形衝突加速器データの相乗効果を検討し、高精度なSUSYパラメータ抽出を実現する。

提案手法

• スペクトル計算機、崩壊ツール、イベント生成機の間で相互運用性を確保するため、MSSMモデル入力、質量スペクトル、崩壊表のためのユニバーサルインターフェース標準を定義する。
• mSUGRA入力パラメータを用いて、ISASUGRA, SOFTSUSY, SPHENO, SUSPECTのMSSMスペクトルを比較するオンラインリソースを実装し、コード間のばらつきを定量化する。
• SFITTERを用いて、一般MSSMまたは重力媒介モデルにおけるSUSYパラメータ抽出のため、グリッドサーチと$χ^2$最小化を実行する。
• SDECAYを開発し、QCDおよび電磁的補正を含むすべてのMSSM粒子の2体、3体、4体崩壊の崩壊幅および分岐比を計算する。
• ベンチマークmSUGRAモデルを用いて、LHCにおけるチャリオネ質量再構築をシミュレートし、統計的手法を適用して精度（約11%、100 fb$^{-1}$）を推定する。
• LHCの質量測定結果と$e^+e^-$線形衝突加速器データ（偏光ビーム、$√s \sim 500$ GeV）を組み合わせ、SPS1aシナリオにおけるゲージノ/ヒッグスノセクターのパラメータを再構築する。この際、現実的な誤差モデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mSUGRAフレームワーク下で、異なる公開MSSMスペクトルコード（ISASUGRA, SOFTSUSY, SPHENO, SUSPECT）は、中性子長ダークマターの残存密度をどの程度異なって予測するか？
• RQ2 100 fb$^{-1}$のデータを用いた場合、LHCにおける最軽いチャリオネ質量はどの程度の精度で再構築可能か？
• RQ3 LHCと将来の$e^+e^-$線形衝突加速器データの組み合わせにより、特定のSUSY破れメカニズムを仮定せずに、基本的SUSYパラメータを高精度で決定可能か？
• RQ4 クロスセクション、前後非対称性、およびラピディティ分布の観測量を用いて、LHCにおける$E_6$および左右対称（LR）モデルの$Z^\prime$ボソンはどの程度効果的に区別可能か？
• RQ5 100 fb$^{-1}$の統計的精度を用いた場合、$Z^\prime_{\eta}$と$Z^\prime_{\psi}$などの異なる$Z^\prime$モデルは、最大どの$Z^\prime$質量まで区別可能か？

主な発見

• mSUGRAモデルにおける中性子長ダークマターの残存密度は、4つの公開コード間で顕著な差異を示し、入力パラメータや高次の補正の影響で最大2倍の差が生じる。
• ベンチマークmSUGRAモデルを用いた統計的信号同定研究によると、LHCにおけるチャリオネ質量は約100 fb$^{-1}$のデータを用いて約11%の精度で再構築可能である。
• LHCの質量測定結果と$e^+e^-$線形衝突加速器データ（偏光ビーム、$\sqrt{s} \sim 500$ GeV）を組み合わせることで、SPS1aベンチマークシナリオにおけるゲージノ/ヒッグスノセクターのパラメータを高精度で決定可能である。
• $Z^\prime$ピーク上・下で測定された前後非対称性（$A_{FB}^\ell$）は、$Z^\prime$モデル間の区別に強く、補完的な能力を示す。
• 双粒子系のラピディティ分布は、$u\bar{u}$、$d\bar{d}$、およびハイスループットクォークの寄与割合をフィッティング可能であり、$Z^\prime$がクォーク種別にどのようにカップリングするかに感度を持つ。
• 100 fb$^{-1}$の統計的精度を用いた場合、$Z^\prime$モデルは2–2.5 TeVまで区別可能であるが、~2 TeVを超えると$Z^\prime_{\eta}$と$Z^\prime_{\psi}$の$A_{FB}^\ell$の振る舞いが類似するため、区別できなくなる。