[論文レビュー] Naturalness, Supersymmetry and Light Higgsinos: A Snowmass Whitepaper

Howard Baer, V. Barger+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

このSnowmass白書は、超対称性における自然性が小さな|μ|パラメータを要求し、その結果として軽いヒッグスノが自然性の最も基本的な印となると主張する。本稿では、電弱エネルギー仕掛けの微調整度を表すΔ_EWを、高エネルギースケールの物理に依存しない、スペクトルに基づく、現象論的に頑健な自然性の代理指標として導入する。Δ_EW < 30のとき、微調整は限定され、|μ| < 300 GeVの軽いヒッグスノが予想される。このため、e⁺e⁻衝突機は発見の観点から不可欠となる。

ABSTRACT

We show that the electroweak fine-tuning parameter Δ_{ m EW} derived from the well-known electroweak symmetry breaking condition written in terms of weak scale parameters leads to {\it a bound on fine-tuning in the MSSM} and explain its utility for phenomenological analyses. We argue that a small magnitude of the mu parameter, and the concomitant presence of light higgsinos, is the most basic consequence of naturalness in SUSY models, and list the resulting implications of this for experiments at the LHC and at future e^+e^- colliders.

研究の動機と目的

• MSSMにおける電弱微調整度の信頼性の高い、スペクトルに基づく測定指標Δ_EWを、高スケール(HS)物理とは独立して確立すること。
• 自然性における超対称性の最も基本的な結果は、軽いトップスクアーリングではなく、小さな|μ|パラメータであると主張すること。
• 低Δ_EW値（≤30）が|μ| < 300 GeVを示唆することを示し、将来のe⁺e⁻衝突機でヒッグスノを発見可能であることを示すこと。
• 軽いヒッグスノおよび混合ゲージノー・ヒッグスノ状態の主要なシグネチャを特定することで、LHCおよび将来の衝突機の現象論的分析を支援すること。
• 微調整度測定指標の階層関係を明確にする：Δ_EW < Δ_BG ≲ Δ_HSであり、Δ_EWが現象論的推論において最も有用である。

提案手法

• 弱スケールでの電弱対称性の自発的破れ条件（式1）を、弱スケールでのソフト対称性破れパラメータ（一Loop補正Σ_u^u, Σ_d^dを含む）で表現する。
• Δ_EWを弱スケールパラメータに対するM_Z²の相対的感度の最大値として定義する（式2）。これは微調整度の上限を表す。
• Δ_EWをΔ_HS（高スケール微調整度）およびΔ_BG（Barbieri-Guidice測定指標）と比較し、Δ_EWはやや厳密性に欠けるが、現象論的によりアクセス可能なことを示す。
• mSUGRA/CMSSMにおけるRGE補正付き一Loop解（式3）を用いて、大規模なm₀においてもパラメータ相関が微調整度を低減することを示す。
• 衝突機シグネチャを分析：e⁺e⁻衝突機におけるヒッグスノ対生成（W/Z→jj+MET経由）、LHCにおけるマルチレプトンイベント、および緩い崩壊生成物に対するモノジェット／モノフォトン信号。
• Δ_EWの閾値とヒッグスノ状態間の質量ギャップに基づき、LHCおよび将来の衝突機の発見能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然性の超対称的モデルにおける最も基本的な結果は何か—軽いトップスクアーリングか、小さな|μ|パラメータか？
• RQ2 電弱微調整度測定指標Δ_EWは、Δ_HSやBarbieri-Guidice測定指標Δ_BGと比べてどう異なるか？
• RQ3 高エネルギー理論の詳細を知らない状態でも、Δ_EWを用いて軽いヒッグスノの存在を推論できるか？
• RQ4 LHCおよび将来のe⁺e⁻衝突機における軽いヒッグスノの主な発見チャネルは何か？
• RQ5 質量ギャップと崩壊トポロジーは、LHCにおけるヒッグスノ対の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 低Δ_EW < 30は|μ| < 300 GeVを示唆し、自然性の直接的結果として軽いヒッグスノが存在することを示す。
• √s ≳ 2|μ|のe⁺e⁻衝突機では、低エネルギー可視崩壊経由でヒッグスノ対生成をプローブ可能であり、決定的な発見チャネルを提供する。
• Δ_EW ≈ 10–30のモデルでは、トップスクアーリングが1–5 TeVの範囲に存在しうることから、自然性のためには軽いトップスクアーリングが必須でないことが示される。
• |M₁,₂| ≈ |μ|のとき、チャージリンおよびニュートラリノは混合状態となり、LHCで観測可能なマルチレプトン信号を生じる。
• |M₂| ≤ 0.8–1 TeVかつ|μ|が小さい場合、ウィノ対生成に起因するハドロン的静穏な同一スピン二レプトンイベントが、LHCにおける最良の探査能力を示す。
• ヒッグスノ状態間の小さな質量ギャップ（10–15 GeV）は、LHCにおける検出を極めて困難にするため、初期状態放射（モノジェット、モノフォトン）を代替の発見モードとして提案する。