[論文レビュー] LHC signature with long-lived stau in high reheating temperature scenario

Motoi Endo, Koichi Hamaguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、高い再加熱温度を伴う超対称モデルにおける長寿命のstau粒子のLHCシグネチャを調査し、再加熱温度が10⁸ GeVを超える場合、7 TeV、1 fb⁻¹の初期LHCエネルギーレベルでも観測可能なstauシグネチャが予測されることを示している。再加熱温度が高くなると、グルーチノ質量は低い値に制約され、stau生成が増加し、ずらし頂点および長軌跡を介した検出が可能になる。

ABSTRACT

We study the possibility of observing the stau signal at LHC in case that the gravitino is the lightest supersymmetric particle and the stau is the next lightest supersymmetric particle in high reheating temperature scenario. We show that a number of stau signals can be observed at LHC for $\sqrt{s}=7 { m TeV}$ and an integrated luminosity of $1 { m fb}^{-1}$ in most of the parameter region for the reheating temperature $T_R\gsim{\cal O}(10^8) { m GeV}$. We also show that the parameter region with $T_R\gsim2 imes10^9 { m GeV}$, which is consistent with the thermal leptogenesis, is all covered for $\sqrt{s}=14 { m TeV}$ with $10 { m fb}^{-1}$.

研究の動機と目的

• 長寿命stau粒子の高再加熱温度を伴う超対称モデルにおけるコライダー効果を調査すること。
• このようなモデルが、重力ヒノ過剰生成およびビッグバン核合成（BBN）制約と整合するかを評価すること。
• R対称性保存および再加熱後のエントロピー生成なしを仮定した下で、これらの宇宙論的制約下でのstauシグネチャの観測可能性を特定すること。
• ヒッグス極付近でのstau散乱（hおよびH）が宇宙論的制約およびコライダー・シグネチャに与える影響を調査すること。
• さまざまなゲージino質量統一状況におけるグルーチノ質量に関する最新の制約を提示し、詳細な検出器シミュレーション結果を含めること。

提案手法

• 再加熱以降の熱的散乱から重力ヒノ密度を導出し、式 Ω₃/₂h² ≈ (T_R/10⁸ GeV) × [3.7×10⁻⁴(m₃/₂/100 GeV) + ...] を用いる。ゲージino質量の1ループRGEを組み込む。
• BBN制約を適用し、遅延したstau崩壊が原始核合成を破壊しないようにするため、重力ヒノ質量の上界を導出する。
• ゼロ温度および有限温度場理論におけるバウンス法を用い、stau三一次結合A_ττh⁰およびA_ττHの制約を課し、真空安定性を確保する。
• ずらし頂点シグネチャを考慮して、LHCにおける観測可能なstauイベント数を推定するための詳細な検出器シミュレーションを実施する。
• stau散乱の3つのチャネルを検討：電弱過程、ヒッグス媒介（h）散乱、およびCP不変ヒッグス（H）の共鳴散乱。
• GUT、GUTに類似、非一様なパターンを含むさまざまなゲージino質量統一パターンにおけるグルーチノ質量の制約を評価し、コライダーの実現可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命stau状況下で、重力ヒノ過剰生成およびBBN制約と両立する最大の再加熱温度は何か？
• RQ2 グルーチノ質量の上限は再加熱温度およびstau質量にどのように依存するか。また、LHC発見可能性に与える影響は何か？
• RQ3 高再加熱温度モデル下で、初期LHCデータ（7 TeV、1 fb⁻¹）でstauをLHCで観測可能か？
• RQ4 ヒッグス極での共鳴stau散乱（hおよびH経由）は、宇宙論的制約およびそれによるコライダー・シグネチャにどのように影響するか？
• RQ5 バウンス法による真空安定性制約は、stauとヒッグス粒子との三一次結合にどの程度制限を課すか？

主な発見

• 再加熱温度が10⁸ GeVを超える場合、7 TeVの中心系エネルギーおよび1 fb⁻¹の統合放射線量でも、LHCにおける観測可能なstauシグネチャの数は有意である。
• 再加熱温度T_R ≥ 2×10⁹ GeVのパラメータ領域（熱的レプトゲネシスと整合）は、14 TeV、10 fb⁻¹のLHCで完全にカバーされる。
• 再加熱温度が高くなると、宇宙論的制約によりグルーチノ質量が低くなるため、stau生成が増加し、検出可能性が向上する。
• ヒッグス粒子h⁰とのstau三一次結合A_ττh⁰の上界は、真空安定性によりm_h = 120 GeVの下で、stau質量に応じて約100–200 GeV未満に制限される。
• 熱補正がポテンシャルに与える影響は、真空安定性の境界に顕著に現れ、バウンス計算における熱的自由エネルギーF[ϕ,T]の正確な取り扱いが不可欠である。
• 重ヒッグスH（m_H ≈ 2m_τ̃）を介した共鳴stau散乱は、A_ττH結合に対するより強い宇宙論的制約をもたらし、その制約はm_Hおよびm_τ̃に依存する。