[論文レビュー] Particle and Astroparticle Searches for Supersymmetry

Jonathan L. Feng, K. Matchev+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、最小超対称性重力フレームワークにおける超対称性のための粒子および宇宙粒子物理学的プローブの包括的分析を提示しており、コライダー、低エネルギー精度測定、直接的および間接的ダークマター探索の相補性に焦点を当てる。両者の結合実験により、ほぼすべての宇宙論的に好ましい超対称的モデルを探索可能であり、もしある種の超対称性が弱いエネルギースケールに実現し、ニュートラリノがダークマターを形成するならば、LHCの運用開始前に観測可能な信号が現れる必要がある。特に、超パートナーパarticleが500 GeVの線形コライダーで検出可能であるほど軽い場合に顕著である。

ABSTRACT

Supersymmetry may be discovered at high energy colliders, through low energy precision measurements, and by dark matter searches. We present a comprehensive analysis of all available probes in minimal supergravity. This work extends previous analyses by including the focus point branch of parameter space and the full array of promising indirect dark matter searches. We find that particle and astrophysical searches underway are highly complementary: each separately provides only partial coverage of the available parameter space, but together they probe almost all models. Cosmology does {\em not} provide upper bounds on superpartner masses useful for future colliders. At the same time, in the cosmologically preferred region, if supersymmetry is to be observable at a 500 GeV linear collider, some signature of supersymmetry must appear {\em before} the LHC.

研究の動機と目的

• 最小超対称性重力フレームワークにおける超対称性のための、全粒子および宇宙粒子物理学的プローブの評価を目的とする。
• 焦点点領域のパラメータ空間を含めることで、先行研究を拡張する。ここでは、軽いニュートラリノが特徴的なダークマター性質を示す。
• ニュートリノ、ガンマ線、反物質検出などの間接的ダークマター探索の感度を、直接的およびコライダー探査と併せて評価する。
• 将来の実験がLHCの運用開始前に、宇宙論的に好ましい超対称的モデルの全範囲をカバーできるかどうかを決定する。
• 弱いエネルギースケールに実現された超対称性とニュートラリノダークマターが前提である場合、500 GeVの線形コライダーが超対称性を観測できるのは、他の実験で信号が事前に現れる場合に限られるかどうかを確立する。

提案手法

• 超対称性の素性を保守的なベンチマークとして、最小超対称性重力（mSUGRA）フレームワークを用いる。
• 軽いニュートラリノが顕著なヒッグスノ成分を有するmSUGRAパラメータ空間の焦点点領域を組み込む。
• LEP、Tevatron、Bファクトリーの$B\to X_s\gamma$、$g_\mu-2$、直接的ダークマター検出器（CDMS、CRESST、GENIUS）、および間接的探索（ニュートリノ、ガンマ線、陽電子、反プロトン）からの制約と感度を評価する。
• 表1の感度閾値を用いて実験的到達範囲を予測し、チャリノ質量の制限、$B\to X_s\gamma$分岐比、ミュオンの異常磁気モーメント、ニュートラリノ対消滅から生じる二次粒子のフラックスを含む。
• 銀河中心からのガンマ線に対して、中程度のプロファイル（$\bar{J}=500$）を仮定したハロー・モデル依存の制限を適用する。
• 全プローブの結果を統合し、特に$\Omega_\chi h^2 \in [0.1, 0.3]$の領域においてmSUGRAパラメータ空間全体のカバー範囲を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCの運用開始前に、現在および近い将来の実験が、宇宙論的に好ましい超対称的モデルの全範囲をカバーできるか？
• RQ2 特にニュートリノ、ガンマ線、反物質を検出する間接的ダークマター探索は、従来のコライダーおよび低エネルギー精度測定とどのように相補的か？
• RQ3 弱いエネルギースケールに実現された超対称性とニュートラリノダークマターが前提である場合、500 GeVの線形コライダーにどのような意味があるか？
• RQ4 なぜmSUGRAの焦点点領域は、間接的ダークマター検出において特に有望なのか？
• RQ5 どのような条件下で、超対称性が現在および計画中のすべての実験を逃れることになるか？

主な発見

• 粒子および天体物理学的探索は非常に相補的である：単一のプローブではパラメータ空間全体をカバーできないが、それらの組み合わせにより、ほぼすべての宇宙論的に好ましいモデルがカバーされる。
• 焦点点領域では、ニュートラリノに顕著なヒッグスノ成分が存在し、これがニュートリノおよびガンマ線検出などの間接的ダークマター探索に対して最大の感度を示す。
• $\tan\beta = 10$の場合、すべての宇宙論的に好ましいモデルが、LHCの運用開始前に少なくとも1つの実験で観測可能な信号を示す。
• $\tan\beta = 50$の場合、$M_{1/2} \gtrsim 450~{\rm GeV}$および$m_0 \gtrsim 1.5~{\rm TeV}$のパラメータ空間の小さな領域が検出を逃れるが、これは顕著な微調整を要し、自然性の観点から好ましくない。
• 超対称性が弱いエネルギースケールに実現し、ニュートラリノがダークマターを形成する場合、500 GeVの線形コライダーが超パートナーパarticleを観測できるのは、他の実験で信号がLHC運用前に現れる場合に限られる。この結論は自然性とは独立に成り立つ。