[論文レビュー] THE SEARCH FOR SUPERSYMMETRY

Howard Baer|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 1995

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、最小超対称性（SUGRA）モデル——標準模型のwell-motivatedな超対称的拡張——に対するコライダー実験（LEP II、Tevatron、LHC）の発見可能性を評価している。ISAJET イベントジェネレータを用いて、コライダー全域におけるスパーティクル生成と崩壊をシミュレートし、TeVスケールの超対称性パラメータ空間を明確に探査できるのは唯一LHCであることを示している。特にグルーコリックおよびスクアーキュールに関しては、エネルギーと光度の制限によりTevatronとLEP IIは限界に達する。

ABSTRACT

The minimal supergravity model (SUGRA), with gauge coupling unification and radiative electroweak symmetry breaking, is a well-motivated paradigm for physics Beyond the Standard Model. In this talk, I review the capabilities of various present and future collider experiments to make definitive tests of the SUGRA model, including LEP and LEP II, the Tevatron and its upgrades, and finally the CERN LHC project.

研究の動機と目的

• 標準模型のwell-motivatedな拡張である、ゲージ結合定数の統一と放射的電弱対称性の破れを満たす最小超対称性（SUGRA）モデルをテストできる、現在および将来のコライダーの能力を評価すること。
• LEP II、Tevatron、LHC がSUGRAフレームワーク内でのスパーティクル質量および結合定数をどの程度探査できるかを特定すること。
• 特にクリーンな三レプトンおよび欠落運動量（$E\hskip-1.5ex/_{T}$）の断面を用いた発見可能性に影響を与える主要パラメータ（$\mu$ の符号、$\tan\beta$、$A_0$）の影響を評価すること。
• エネルギーおよび光度の制限によりTevatronとLEP IIが超対称性を検出する能力に限界があること、およびLHCが決定的な発見を達成する上で果たす独自の役割を特定すること。
• 提案されたTeV*線形コライダーを含む、さまざまなコライダー計画のSUGRAパラメータ空間探査への感受性、および正確なスパーティクル質量情報の抽出能力を比較すること。

提案手法

• ISAJET 7.13 イベントジェネレータを用い、$e^+e^-$、$p\bar{p}$、$pp$ コライダーにおけるスパーティクル生成と崩壊を、$m_0$、$m_{1/2}$、$A_0$、$\tan\beta$、$\text{sign}(\mu)$、$m_t$ の完全なSUGRAパラメータセットを組み込んでシミュレートする。
• GUTスケールから弱スケールまででの高エネルギー物理的整合性を保つために、ゲージ結合定数の統一と放射的電弱対称性の破れを満たすように、反復的グルーブの進化を用いて低エネルギーでのスパーティクル質量および結合定数を計算する。
• 完全なイベントチェーンをシミュレート：部分素子レベルの $2\to2$ 反応、QCD放射を伴う部分素子シャワー、ハドロン化、崩壊カスケード、ビーム残渣効果を含み、現実的な検出器レベルのイベント生成を可能にする。
• 発見可能性のマップを描くために、$m_0$ 対 $m_{1/2}$ 平面をベンチマークパラメータ空間として用い、LEPとTevatronのデータ制約および理論的妥当性（例：正しい$Z$ボソン質量、LSPの安定性）を組み込む。
• 主要なシグネチャを分析：欠落運動量（$E\hskip-1.5ex/_{T}$）＋ジェット、二レプトン＋$E\hskip-1.5ex/_{T}$、三レプトン最終状態。信号対背景比と運動論的到達域を評価する。
• 5σの有意水準と統合光度（例：Tevatronでは1 fb⁻¹、LHCでは100 fb⁻¹）を用いて発見可能性を定量化し、質量到達域表および除外プロットとして結果を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーと光度の制限を受けるLEP IIとTevatronが、$m_0$ と $m_{1/2}$ のSUGRAパラメータ空間のどの領域を探査できるか。
• RQ2 ヒッグスノイド質量パラメータ $\mu$ の符号が、クリーンな三レプトン最終状態を介したチャージリンおよびニュートラリノの発見可能性にどのように影響するか。
• RQ3 $E\hskip-1.5ex/_{T}$ ＋ジェットシグネチャを用いてLHCで発見可能なグルーコリック質量の最大値 $m_{\tilde{g}}$ は何か。また、スクアーキュール対グルーコリック質量比にどのように依存するか。
• RQ4 TevatronまたはLHCは、スレプトンおよびトップスクアーキュールを検出可能か。これらの粒子の主要な崩壊チャネルと観測可能なシグネチャは何か。
• RQ5 特に質量分解能およびパラメータ抽出の観点から、LHCのSUGRAモデル探査能力がTeV*線形コライダーと比べてどのように異なるか。

主な発見

• LEP II は、$\sqrt{s} = 150-190$ GeV のアップグレードエネルギーにより、スレプトン、チャージリン、スクアーキュールの質量を約90 GeVまで、また軽いヒッグスボソンを約90 GeVまで探査できると予想される。
• Tevatron の Minimal Ionization (MI) プロジェクトは、$m_0$ が小さい場合にはグルーコリック質量を $m_{\tilde{g}} \sim 450$ GeV まで、$m_0$ が大きい場合には $m_{\tilde{g}} \sim 215-270$ GeV まで探査可能だが、$\mu < 0$ の場合に限る。$\mu > 0$ の場合には、$\tilde{Z}_2 \to \ell\bar{\ell}\tilde{Z}_1$ 崩壊における干渉効果により探査範囲が急激に縮小する。
• TeV*線形コライダーは、Tevatron よりもはるかに広い探査範囲を示すと予想され、$m_0$ が小さい場合には $m_{\tilde{g}} \sim 700$ GeV、$m_0$ が大きい場合には $m_{\tilde{g}} \sim 500$ GeV まで到達可能で、再び $\mu < 0$ の仮定のもとで成立する。
• LHC は $\sqrt{s} = 14$ TeV および $10^3$ から $10^5$ pb⁻¹ の統合光度を有し、$m_{\tilde{q}} = m_{\tilde{g}}$ の場合にはグルーコリック質量を2.3 TeVまで、$m_{\tilde{q}} = 2m_{\tilde{g}}$ の場合には1.6 TeVまで、$E\hskip-1.5ex/_{T}$ ＋ジェットシグネチャを用いて発見可能である。
• LHC はまた、二レプトン＋$E\hskip-1.5ex/_{T}$ チャネルを用いてスレプトン質量を $m_{\tilde{\ell}} \sim 250$ GeV まで探査可能であるが、$\mu > 0$ の場合には $\tilde{Z}_2 \to \tilde{Z}_1 H_\ell$ 崩壊モードにより三レプトンチャネルの探査範囲が制限される。
• LHC は、現在承認済みの施設の中で唯一、特に正確な質量再構成技術（$m_{\tilde{g}}$ を15–25%の精度で測定可能）を組み合わせることで、全SUGRAパラメータ空間にわたるTeVスケールの超対称性の決定的探索が可能な施設である。