[論文レビュー] What pp SUSY limits mean for future e$^+$e$^-$ colliders

M. Berggren|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、将来のハドロン衝突機（例：FCChh）が、次に軽いスーパースymmery（SUSY）粒子（NLSP）を有するSUSYモデルの除外や発見能力を評価している。特に電弱ボジノNLSPに注目している。その結果、将来のpp衝突機には広範な発見可能性がある一方で、LSPとNLSPの質量差が小さい「圧縮SUSY」状況では除外能力が限定的であることが判明した。一方、e⁺e⁻衝突機は、すべての状況下で運動学的限界まで除外または発見を保証できる。

ABSTRACT

It is well-known that e$^+$e$^-$ colliders have the power to with certainty exclude or discover any SUSY model that predicts a Next to lightest SUSY particle (an NLSP) that has a mass up to slightly below the half the centre-of-mass energy of the collider. Here, we present an estimation of the power of present and future hadron colliders to extend the reach of searches for SUSY, with particular emphasis whether it can be claimed that either discovery or exclusion is guaranteed in a region of LSP and NLSP masses - no set of values of the other SUSY could change the conclusion. A scan over SUSY parameter space was done, only requiring that the NLSP was a bosino - the hardest case - with mass not larger than a few TeV. The mass-spectrum, cross-sections and decay branching ratios found in this region were confronted with projections of sensitivity at future hadron colliders. In our conclusions we weigh in the maturity of the analysis the projections are based upon. The conclusion is that although future hadron colliders have a large discovery-reach, i.e. potential to discover some SUSY model, hardly any models with low-to-medium LSP-NLSP mass-differences can be excluded with certainty. The models that are expected to be excluded/discovered are, on one hand, those with mass-differences larger than those allowed by models with GUT-scale $M_1$-$M_2$ unification, and on the other hand, a tiny region where the mass-difference is so small that the NLSP decays in the tracking volume of the detectors. Excluding the latter possibility does not, however, allow to exclude the possibility of a Wino or Higgsino LSP: at any value of the LSP mass, we could identify models where the NLSP lifetime would be too short for a signal to be seen.

研究の動機と目的

• 将来のハドロン衝突機が、特に圧縮状況における軽いNLSPを有するすべてのSUSYモデルを除外または発見することを保証できるかを評価すること。
• 現在の将来のpp衝突機（例：FCChh）のプロジェクションの妥当性が、SUSYパラメータースペースの全範囲をカバーできるかを評価すること。
• 特にLSP-NLSP質量差が小さい領域において、将来のe⁺e⁻衝突機とpp衝突機の除外能力を比較すること。
• pp衝突機の除外能力推定値が、NLSPの崩壊や検出器性能に関する楽観的な仮定によって誇張されている可能性がある、現在の解析手法のギャップを特定すること。
• GUTスケールでのM1-M2統一性を有するモデルや非常に短命なNLSPを有するモデルが、将来のハドロン衝突機で信頼性を持って除外可能かどうかを特定すること。

提案手法

• µ、M1、M2を自由パラメータとして、MSSMパラメータースペースを走査し、質量が数TeV未満の電弱ボジノNLSPに注目した。
• スピンスペクトル計算機を用いて、走査されたモデルの質量スペクトル、崩壊分岐比、生成断面積を計算した。
• 得られたSUSYのフェイズ空間と、将来のpp衝突機（例：FCChh）およびe⁺e⁻衝突機（例：ILC）の予想感度とを比較した。
• 解析プロジェクションの成熟度を評価し、完全シミュレーション、高速シミュレーション、パラメトリックスタディの違いを区別した。
• 複数の探索手法を評価した：運動量の欠損（MET）、ソフトレプトン、消える軌跡、モノ-Xシグネチャー。
• 特にNLSPの寿命やSUSY系における混合効果に関して、仮定の現実性に基づいて結果に重み付けを行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のpp衝突機は、特にヘキシノおよびウィノ領域における圧縮状況において、軽いNLSPを有するすべてのSUSYモデルを保証的に除外できるか？
• RQ2 モデルに依存しない限界の文脈において、将来のpp衝突機の除外能力は、将来のe⁺e⁻衝突機と比べてどの程度か？
• RQ3 現在のpp衝突機の解析プロジェクションが、NLSPの崩壊や検出器性能に関する楽観的な仮定によって、除外能力を誇張している可能性はどの程度か？
• RQ4 NLSPの寿命や混合効果が、pp衝突機における消える軌跡探索およびソフトレプトン探索の感度をどの程度損なうか？
• RQ5 LSP-NLSP質量差パラメータースペースにおいて、現在のまたは予想される探索戦略がカバーしていない顕著なギャップは存在するか？

主な発見

• 将来のpp衝突機はSUSYの発見能力に優れるが、特にLSP-NLSP質量差が小さい場合の除外能力は限定的である。
• LSP-NLSP質量差が約3–4 GeV未塔のモデルでは、NLSPが検出器内でのみ崩壊するため、消える軌跡手法による除外は狭い領域でのみ可能である。
• ソフトレプトン手法は数GeVの質量差まで探査可能だが、LHCと比較してFCChhにおけるレプトン識別課題のため、その範囲は制限される。
• モノ-X手法は十分に評価されておらず、ATLASやCMSにおけるSUSY探索でも現在使用されていないため、結論を下すには至らない。
• GUTスケールでのM1-M2統一性を持つモデルでは、将来のpp衝突機は圧縮SUSYスペクトルの可能性を除外できないため、顕著な領域がカバーされない。
• 一方、将来のe⁺e⁻衝突機（例：ILC）は、LSP-NLSP質量差に関係なく、運動学的限界まで数GeV未塔のNLSPを有するすべてのSUSYモデルを保証的に除外または発見できる。