[논문 리뷰] CP asymmetries in neutralino production

A. Bartl, H. Fraas외 2명|ArXiv.org|2003. 08. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 500 GeV $e^+e^-$ 선형 충돌기에서 $e^+e^-\to\tilde{\chi}^0_i\tilde{\chi}^0_j$ 이후 이중체 붕괴 $\tilde{\chi}^0_i\to\tilde{\ell}\ell_1$ 와 $\tilde{\ell}\to\tilde{\chi}^0_1\ell_2$ 가 일어나는 경우의 CP 위반 삼중곱 비대칭성을 조사한다. 복소수인 $M_1$ 와 $\mu$를 가진 최소 초대칭 표준모형(MSSM)을 사용하여, 스핀 상관관계에서 기인하는 트리 수준 중성미온 생성에서의 CP 위반을 탐지할 수 있는 두 가지 T-홀 대칭인 $\mathcal{A}_I$ 와 $\mathcal{A}_{II}$ 를 규명한다. 최대 비대칭은 25%에 이르며, $500~\text{fb}^{-1}$ 루미너사티에서 약 $1.5\times10^3$ 개의 사건으로 측정 가능하며, 이는 극화된 입자빔에 의해 증폭된다.

ABSTRACT

We study two CP sensitive triple-product asymmetries for neutralino production e+e- o ildeχ^0_i ildeχ^0_j and the subsequent leptonic two-body decays ildeχ^0_i o ilde{l} l of one of the neutralinos and of the slepton ilde{l} o ildeχ^0_1 l at an e+e--linear collider with \sqrt{s} = 500 GeV. We calculate the asymmetries in the Minimal Supersymmetric Standard Model with complex parameters μand M_1. We show that the largest asymmetries are 10% or 25% and estimate the event rates which are necessary to measure the asymmetries. Polarized electron and positron beams can significantly enhance the asymmetries and cross sections. In addition, we show how the two decay leptons can be distinguished by making use of their energy distributions.

연구 동기 및 목표

• 중성미온 쌍 생성과 붕괴에서 복소수 매개변수를 가진 MSSM에서의 CP 위반 효과를 조사하기 위해.
• 트리 수준의 스핀 상관관계에서 기인하는 CP 위반에 민감한 관측 가능한 T-홀 비대칭을 식별하기 위해.
• 실제 루미너사티와 사건 수치를 고려한 500 GeV $e^+e^-$ 선형 충돌기에서 이러한 비대칭을 측정할 수 있는지의 가능성을 규명하기 위해.
• 전체 운동량 재구성 없이도 붕괴 렙톤을 에너지 분포를 통해 식별함으로써 비대칭 측정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 T-홀 삼중곱 관측량을 정의: $\mathcal{T}_I = (\vec{p}_{e^-} \times \vec{p}_{\chi_i}) \cdot \vec{p}_{\ell_1}$ 와 $\mathcal{T}_{II} = (\vec{p}_{e^-} \times \vec{p}_{\ell_2}) \cdot \vec{p}_{\ell_1}$ 로, 이는 CPT 불변성 하에서 CP-홀이다.
• 양성과 음성 삼중곱 값에 해당하는 사건 수의 비율로 비대칭 $\mathcal{A}_I$ 와 $\mathcal{A}_{II}$ 를 계산한다.
• 중성미온과 스레프톤의 보편자에 대해 좁은 폭 근사를 적용하고, 행렬 요소에 스핀 상관 항을 포함한다.
• 에너지 기반 렙톤 식별을 적용하여 각 사건에서 $\ell_1$ ( $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\ell}\ell_1$ 에서 기인) 와 $\ell_2$ ( $\tilde{\ell} \to \tilde{\chi}^0_1\ell_2$ 에서 기인) 를 식별한다.
• 복소수 $M_1$ 과 $\mu$를 가진 MSSM에서 수치 분석을 수행하며, $M_2 = 400$ GeV, $|\mu| = 240$ GeV, $\tan\beta = 10$, $m_{\tilde{\ell}_R} = 220$–$221$ GeV 로 고정한다.
• 통계적 오차 공식 $\delta\mathcal{A} \approx \mathcal{A}/\sqrt{N}$ 를 사용하여 필요한 사건 수를 추정하며, 여기서 $N = \mathcal{L} \sigma$ 이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복소수 $M_1$ 와 $\mu$를 가진 MSSM에서 $e^+e^- \to \tilde{\chi}^0_i\tilde{\chi}^0_j$ 이후 이중체 붕괴가 일어나는 경우의 CP 위반 비대칭의 최대 크기는 얼마인가?
• RQ2 중성미온 운동량을 재구성하지 않고도 에너지 분포를 통해 두 붕괴 렙톤을 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?
• RQ3 종방향 입자빔 극화와 MSSM 매개변수의 선택이 비대칭 $\mathcal{A}_I$ 와 $\mathcal{A}_{II}$ 의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 95% 신뢰수준에서 비대칭을 5%로 측정하기 위해 필요한 통합 루미너사티와 사건 수는 얼마인가?
• RQ5 스레프톤 붕괴의 운동역학은 $\mathcal{A}_{II}$ 에서 $\mathcal{A}_I$ 에 비해 CP 위반 효과를 어떻게 억제하는가?

주요 결과

• 복소수 $M_1$ 와 $\mu$를 가진 MSSM에서 비대칭 $\mathcal{A}_I$ 의 최대 값은 25%에 이르며, $\mathcal{A}_{II}$ 는 최대 10%에 이른다.
• $\mathcal{A}_I$ 는 $\mathcal{A}_{II}$ 보다 크게 나타나는데, 이는 후자가 스레프톤 붕괴에서 발생하는 운동역학적 양상으로 인해 약 3배 감소하기 때문이다.
• 95% 신뢰수준에서 5% 비대칭을 측정하기 위해서는 $500~\text{fb}^{-1}$ 루미너사티에서 최소 $1.5 \times 10^3$ 개의 사건이 필요하다.
• 질량 차이 $m_{\tilde{\ell}_R} - m_{\tilde{\chi}^0_1}$ 와 $m_{\tilde{\chi}^0_2} - m_{\tilde{\ell}_R}$ 가 상당히 다를 경우, $\ell_1$ 과 $\ell_2$ 의 에너지 분포는 뚜렷하게 구별되며, 이는 각 사건에서의 렙톤 식별을 가능하게 한다.
• 전자 및 양전자 빔의 종방향 극화가 두 비대칭 모두를 크게 향상시켜, CP 위반 위상에 대한 감도를 향상시킨다.
• $\mathcal{A}_I$ 와 $\mathcal{A}_{II}$ 는 주로 $M_1$ 과 $\mu$ 의 CP 위반 위상에 의해 주도되며, $\mathcal{A}_I$ 는 $\varphi_{M_1}$ 에 더 민감하고, $\mathcal{A}_{II}$ 는 두 위상 모두에 비슷한데, 약간 감소된 의존성을 보인다.