[논문 리뷰] Contrasting Supersymmetry and Universal Extra Dimensions at Colliders

M. Battaglia, Asesh K. Datta외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 07. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 충돌기에서 초대칭(SUSY)과 보편적 추가 차원(UED)을 대조하며, CLIC와 같은 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기에서 각도 분포, 복사 복귀 광자 스펙트럼, 총 단면적 측정을 통해 두 모델을 구별할 수 있음을 제안한다. 주요 발견은 UED에서는 $Z_2$ 공 resonance로 인해 복사 복귀 과정의 광자 에너지 스펙트럼에 날카운 피크가 나타나지만, SUSY에서는 그러한 피크가 없으며, 이는 검출기 효과가 있더라도 강력한 구별 기준이 된다.

ABSTRACT

We contrast the experimental signatures of low energy supersymmetry and the model of Universal Extra Dimensions and discuss various methods for their discrimination at hadron and lepton colliders. We study the discovery reach of hadron colliders for level 2 Kaluza-Klein modes, which would indicate the presence of extra dimensions. We also investigate the possibility to differentiate the spins of the superpartners and KK modes by means of the asymmetry method of Barr. We then review the methods for discriminating between the two scenarios at a high energy linear collider such as CLIC. We consider the processes of Kaluza-Klein muon pair production in universal extra dimensions in parallel to smuon pair production in supersymmetry. We find that the angular distributions of the final state muons, the energy spectrum of the radiative return photon and the total cross-section measurement are powerful discriminators between the two models.

연구 동기 및 목표

• 헤드론 및 렙톤 충돌기에서 초대칭(SUSY)과 보편적 추가 차원(UED)을 구별할 수 있는 실험적 관측 가능성을 규명하는 것.
• 특히 이중 레프톤 최종 상태를 통한 LHC와 테바트론에서의 2차 수준 칼루차-클라인(KK) 모드의 발견 잠재력을 평가하는 것.
• 두 모델에서 새로운 입자의 스핀을 탐색하는 데 있어 각도 비대칭성과 운동량 분포의 효과를 평가하는 것.
• CLIC와 같은 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기에서 복사 복귀 과정을 통해 광자 에너지 스펙트럼을 이용해 UED와 SUSY를 구별할 수 있는지 확인하는 것.
• 단면적, 각도 분포, 에너지 스펙트럼의 병합 측정을 통해 모델 구별을 위한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• Barr의 비대칭성 방법을 사용하여 UED와 SUSY에서 $e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^-$ 과정의 최종 상태 뮤온의 각도 분포를 비교함으로써 스핀 양자수를 탐색하는 것.
• 복사 복귀 과정인 $e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^\gamma$에서의 광자 에너지 스펙트럼을 분석함. UED는 $s$-채널 $Z_2$ 공 resonance로 인해 날카운 피크를 보이며, SUSY는 그렇지 않음.
• 두 모델에서 $\mu_1\mu_1$ 쌍 생성의 총 단면적을 측정함. 이는 상당한 차이를 보이며, 구별 기준이 됨.
• 생성자 수준과 검출기 시뮬레이션된 뮤온 에너지 스펙트럼을 사용하여 운동량 끝점 추출. 공식 $E_{\text{max/min}} = \frac{1}{2}M_{\tilde{\mu}}(1 - \frac{M^2_{\tilde{\chi}^0_1}}{M^2_{\tilde{\mu}}})\gamma(1 \pm \beta)$를 두 모델에 모두 적용함.
• 실제 실험 조건을 시뮬레이션하기 위해 ISR 보정 및 검출기 효과(빔스트랄링, 해상도, 수용 범위 컷)를 적용함.
• 공정한 비교를 위해 SUSY와 UED의 파rameter를 조정함. 특히 스모이온과 $\mu_1$ 질량을 조절하여 유사한 운동량 끝점을 확보함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복사 복귀 과정에서 $e^+e^- \to \mu_1^+\mu_1^-$ 이벤트의 최종 상태 뮤온 각도 분포가 스핀 상관 효과를 통해 UED와 SUSY를 구별할 수 있는가?
• RQ2 복사 복귀 광자 스펙트럼에서 UED는 $Z_2$ 공 resonance로 인해 날카운 피크를 보이며, SUSY에서는 이러한 특성이 없는가?
• RQ3 유사한 운동량 끝점 조건에서 CLIC에서 $\mu_1\mu_1$ 쌍 생성의 총 단면적이 UED와 SUSY를 구별할 수 있는가?
• RQ4 빔스트랄링 및 운동량 해상도 등의 검출기 효과가 뮤온 에너지 스펙트럼에서 운동량 끝점을 해소하는 데 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 10 fb$^{-1}$의 통합 루미너시티로 LHC에서 2차 수준 KK 게이지 보손($\gamma_2$, $Z_2$)의 $5\sigma$ 발견 가능성을 이중 레프톤 최종 상태에서 달성할 수 있는가?

주요 결과

• $\gamma_2$의 $5\sigma$ 발견 가능성이 LHC에서 10 fb$^{-1}$ 루미너시티로 모든 천체물리학적으로 선호되는 UED 매개변수 영역을 커버하며, $n=2$ KK 쿼크 붕괴를 통한 간접 생성도 포함됨.
• UED에서 복사 복귀 광자 스펙트럼은 $E_\gamma = \frac{1}{2}E_{\text{CM}}(1 - \frac{M^2_{Z_2}}{E^2_{\text{CM}}})$ 에서 날카운 피크를 보이며, SUSY에서는 $s$-채널에서 온셸 $Z_2$ 교환 없이 이러한 피크가 없음.
• UED의 광자 피크는 빔스트랄링 및 해상도 등의 검출기 효과에도 강건하여, 수용 범위 컷 이후 시뮬레이션 스펙트럼에서도 명확하게 유지됨.
• UED와 SUSY 간의 $\mu_1\mu_1$ 쌍 생성 총 단면적은 상당한 차이를 보이며, 강력한 독립적 구별 기준이 됨.
• 뮤온 에너지 스펙트럼의 운동량 끝점은 잘 정의되어 있으며 측정 가능하며, 임계값 스캔 이후 $\gamma_1$ 및 $\mu_1$ 질량 추출이 가능함. 이때 분산는 주로 빔스트랄링에 의해 결정됨.
• UED의 각도 분포 비대칭성(예: $R^{-1} = 500$ GeV일 경우)은 스핀 상관관계를 무시할 때에도 SUSY와 구별 가능하며, 이는 강력한 구별 기준임을 시사함.