[論文レビュー] Naturalness and light Higgsinos: why ILC is the right machine for SUSY discovery

Suvi-Leena Lehtinen, Howard Baer+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、放射的駆動自然SUSYが予測する軽量でほぼ質量縮退したヒッグスノ（100–200 GeV）の状況において、国際線形衝突型（ILC）が自然SUSYを発見または除外するのに特に適していると主張している。√s = 500 GeVでの高精度シミュレーションをILCのILD検出器概念を用いて実施した結果、ヒッグスノ質量および生成断面積が約1%の精度で測定可能であり、これにより重いSUSY状態の正確な予測とゲージノ統一の検証が可能となることが示された。

ABSTRACT

Radiatively-driven natural supersymmetry, a theoretically and experimentally well-motivated framework, centers around the predicted existence of four light, nearly mass-degenerate Higgsinos with mass $\sim 100-200$ GeV (not too far above $m_Z$). The small mass splittings amongst the higgsinos, typically 4-20 GeV, results in very little visible energy arising from decays of the heavier higgsinos. Given that other SUSY particles are considerably heavy, this makes detection challenging at hadron colliders. On the other hand, the clean environment of an electron-positron collider with $\sqrt{s}>2m_{higgsino}$ would enable a decisive search of these required higgsinos, and thus either the discovery or exclusion of natural SUSY. We present a detailed simulation study of precision measurements of higgsino masses and production cross sections at $\sqrt{s}$ = 500 GeV of the proposed International Linear Collider currently under consideration for construction in Japan. The study is based on a Geant4 simulation of the International Large Detector concept. We examine several benchmark points just beyond the HL-LHC reach, with four light higgsinos directly accessible by the ILC, and the mass differences between the lightest SUSY particle and the heavier states ranging from about 4 to 20 GeV. It can be shown that their masses and production cross sections can be precisely measured to approximately 1\% precision or better. These precise measurements allow for extracting the underlying weak scale SUSY parameters, giving predictions for the masses of heavier SUSY states. These provide motivation for future high-energy colliders. Additionally, dark matter properties may be derived. Evolution of the measured gaugino masses to high energies should allow testing the hypothesis of gaugino mass unification.

研究の動機と目的

• 放射的駆動自然SUSYの文脈において、ILCが軽量ヒッグスノを発見または除外できる能力を評価すること。
• ILD検出器概念を用いた√s = 500 GeVでのヒッグスノ質量および断面積測定の精度を評価すること。
• 測定された軽量ヒッグスノの精度測定が、観測されていない重い未発見のSUSY粒子の質量を制約または予測できるかどうかを特定すること。
• 低エネルギーでの測定SUSYパラメータを高エネルギースケールに発展させることで、ゲージノ質量統一仮説を検証すること。
• MicrOMEGAsを用いたリリック密度予測を通じて、ヒッグスノLSPのダークマターへの影響を探索すること。

提案手法

• WhizardおよびPythiaを用いたイベント生成およびハドロン化処理により、√s = 500 GeVにおけるヒッグスノ対生成および崩壊過程（e+e− → χ̃0_1χ̃0_2 および e+e− → χ̃+1χ̃−1）のシミュレーション。
• 国際大規模検出器（ILD）概念に基づくGeant4シミュレーションを用いて、検出器応答をモデル化し、崩壊生成物のインバリアント質量を再構築した。
• 信号感度を向上させるために、ビームのスピン極化（e− 80%、e+ 30%）を導入し、バックグラウンドを低減した。
• 既知のセンター・オブ・マスエネルギーと運動量保存則を活用して、可視崩壊生成物のインバリアント質量ピークからヒッグスノ質量を再構築した。
• 4 ab−1の統合レートを用いたカットアンドカウント戦略により、生成断面積を測定した。
• 測定されたヒッグスノ質量、断面積、およびILCのヒッグス観測量を入力として、10パラメータのpMSSMフィットをFittino（MCMC）を用いて実施。パラメータはSPhenoおよびFeynHiggsを用いてGUTスケールに発展させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然SUSYの文脈において、ILCは軽量ヒッグスノ質量および生成断面積を1%未塔の精度で測定できるか？
• RQ2 軽量ヒッグスノの高精度測定が、観測されていない重い未発見のSUSY粒子の質量をどの程度まで制約または予測できるか？
• RQ3 測定されたゲージノ質量を高エネルギースケールに発展させることで、ゲージノ質量統一仮説を検証でき、背後にあるGUTスケールの物理学を明らかにできるか？
• RQ4 この状況下でのヒッグスノLSPのダークマターへの影響は何か？ また、ILCの測定結果からそのリリック密度を正確に予測できるか？
• RQ5 ビーム極化および検出器シミュレーションは、ILCのクリーンな環境下での軽量ヒッグスノへの感度にどのように影響するか？

主な発見

• √s = 500 GeVにおけるILD検出器概念を用いた場合、ヒッグスノ質量は約1%またはそれ以下の精度で測定可能である。
• 4 ab−1のデータセットにおいて、ヒッグスノ対生成断面積は0.5–2%の統計的不確実性で測定可能である。
• ヒッグスノ質量スプリッティングを支配するビノおよびウィノ質量パラメータ（M1およびM2）は1–2%の不確実性で制約され、これにより中性ノおよびチャージノ質量の2%の精度での予測が可能となる。
• 図3に示すように、未観測スーパーパarticleの質量に対する95%信頼区間（1σおよび2σ）が高精度で予測可能である。
• M1およびM2を高エネルギースケールに発展させた結果、2 × 10^16 GeVで統一が確認され、GUTスケールのSUSYモデルの強力な証拠が得られた。
• M3が同じスケールで統一すると仮定した場合、グルーギノ質量は高い信頼性で予測可能となり、将来的な衝突型加速器のエネルギー計画に重要な指針を提供する。