[論文レビュー] Prospects for constrained supersymmetry at $\sqrt{s}=33$ TeV and $\sqrt{s}=100$ TeV proton-proton super-colliders

Andrew Fowlie, M. Raidal|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LHC、LUX、Planckからの現在の実験データを踏まえ、将来の陽子-陽子衝突実験装置（具体的には33 TeVのHE-LHCおよび100 TeVのVLHC）において、制限付き最小超対称標準模型（CMSSM）が発見される確率をベイズ統計を用いて評価している。LHCが300 fb⁻¹のデータを得る場合、発見確率は15–75%であるが、VLHCではモデルが正しければ物理的制約（ヒッグス粒子質量およびダークマターの残存密度）を考慮すると、CMSSMの発見が保証される。

ABSTRACT

Discussions are underway for a high-energy proton-proton collider. Two preliminary ideas are the $\sqrt{s}=33$ TeV HE-LHC and the $\sqrt{s}=100$ TeV VLHC. With Bayesian statistics, we calculate the probabilities that the LHC, HE-LHC and VLHC discover SUSY in the future, assuming that nature is described by the CMSSM and given the experimental data from the LHC, LUX and Planck. We find that the LHC with $300$/fb at $\sqrt{s}=14$ TeV has a $15$-$75%$ probability of discovering SUSY. Should that run fail to discover SUSY, the probability of discovering SUSY with $3000$/fb is merely $1$-$10%$. Were SUSY to remain undetected at the LHC, the HE-LHC would have a $35$-$85%$ probability of discovering SUSY with $3000$/fb. The VLHC, on the other hand, ought to be definitive; the probability of it discovering SUSY, assuming that the CMSSM is the correct model, is $100%$.

研究の動機と目的

• ベイズ推論を用いて、現在の実験データ（LHC、LUX、Planck）を基に、将来の高エネルギー衝突実験装置におけるCMSSMの発見確率を定量化すること。
• 現在の実験データ（LHC、LUX、Planck）が超対称性の発見可能性に与える影響を評価すること。
• LHCが超対称性を発見できなかった場合、HE-LHCまたはVLHCがCMSSMを明確に検証できるかどうかを特定すること。
• 異なる事前分布の仮定や衝突実験装置の性能に関する不確実性の下でも、結果の頑健性を評価すること。

提案手法

• LHC、LUX、Planckからの実験データを用いて、CMSSMのパrameter空間における事後確率分布を計算するためにベイズ統計が適用されている。
• 尤度関数は、直接的および間接的な超対称性探索、ヒッグス粒子質量の測定、ダークマターの残存密度制約から構築されている。
• CMSSMパラメータ（m₀、m₁/₂、A₀、tanβ）に、対数スケールおよび線形スケールの両方の事前分布を割り当て、感度を検証している。
• 各衝突エネルギーおよび統計量における発見確率を計算するために、パrameter空間にわたる事後分布の周辺化が行われている。
• 発見は、観測されたヒッグス粒子質量およびダークマターの残存密度と整合するパラメータ空間の領域を探索可能であることに定義されている。
• 事前分布の範囲に対する感度は、m₀およびm₁/₂の上限を変化させることでテストされ、主要な結果が頑健であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のデータを踏まえ、√s = 14 TeV、300 fb⁻¹のLHCがCMSSMを発見する確率は何か？
• RQ2 LHCが超対称性を発見できなかった場合、√s = 33 TeV、3000 fb⁻¹のHE-LHCで発見確率はどのように変化するか？
• RQ3 モデルが正しいと仮定した場合、√s = 100 TeV、3000 fb⁻¹のVLHCがCMSSMを発見する確率は何か？
• RQ4 CMSSMにおけるスケール破れ質量の事前分布の選択に、これらの確率はどれほど敏感か？
• RQ5 ヒッグス粒子質量およびダークマターの残存密度の制約が、将来の衝突実験装置における発見可能性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• LHCが√s = 14 TeV、300 fb⁻¹の条件で動作する場合、事前分布の仮定に応じてCMSSMの発見確率は15–75%である。
• LHCが超対称性を発見できなかった場合、HE-LHCが3000 fb⁻¹のデータを得る発見確率はわずか1–10%に低下する。
• LHCが明確な結論に至らなかった場合、HE-LHCが3000 fb⁻¹のデータを得る条件で、CMSSMの発見確率は35–85%である。
• VLHCが√s = 100 TeV、3000 fb⁻¹の条件で動作する場合、モデルが正しければCMSSMの発見確率は100%である。
• VLHCのこの決定的発見確率は、異なる事前分布の選択に対しても頑健であり、m₀およびm₁/₂の具体的な値とは無関係である。
• この結果は、主にヒッグス粒子質量（約125 GeV）および観測されたダークマターの残存密度という物理的制約によって駆動されており、これらはCMSSMにおいて満たされなければならない。