[논문 리뷰] Gravitino and Goldstino at Colliders

W. Buchmüller, Koichi Hamaguchi외 2명|ArXiv.org|2004. 03. 18.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 충돌기에서 장수한 전하를 띤 스레프톤 붕괴를 통해 초중력이론을 시험하는 방법을 제안하며, 타우 렙톤, 광자, 그리고 가벼운 중력보 또는 골드스타인 입자로의 3체 붕괴에 초점을 맞춘다. 이러한 붕괴에서 각도 및 에너지 분포를 분석함으로써, 중력보의 스핀-3/2 성질과 그 특징적인 결합 상수를 조사할 수 있으며, 이는 중력보 질량이 1 GeV 이하일 경우에도 가능하다. 이는 스핀-1/2 골드스타인 또는 중성미오 상태와의 구별이 가능하다.

ABSTRACT

We consider theories with spontaneously broken global or local supersymmetry where the pseudo-goldstino or the gravitino is the lightest superparticle (LSP). Assuming that the long-lived next-to-lightest superparticle (NSP) is a charged slepton, we study several supergravity predictions: the NSP lifetime, angular and energy distributions in 3-body NSP decays. The characteristic couplings of the gravitino, or goldstino, can be tested even for very small masses.

연구 동기 및 목표

• 중력보가 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)이고, 전하를 띤 스레프톤이 그 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NSP)인 경우 초중력이론의 예측을 시험하는 것.
• 3체 붕괴에서의 관측 가능한 서명을 통해 스핀-3/2 중력보를 스핀-1/2 골드스타인 또는 중성미오 상태와 구별하는 것.
• NSP 수명 측정 및 운동량 측정을 통해 중력보 질량을 결정하고 초중력이론의 플랑크 규모 억제된 결합 상수를 시험하는 것.
• 검출기 내부에서의 내재 붕괴를 통해 매우 가벼운 중력보(keV 규모 이하)를 탐지할 수 있는지의 가능성 탐색

제안 방법

• 장수한 전하를 띤 스레프톤 NSP의 3체 붕괴 분석: $\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$, 여기서 $X$는 중력보 ($\psi_{3/2}$), 골드스타인 ($\chi$), 또는 중성미오 ($\lambda$)이다.
• 최종 입자들의 각도 및 에너지 분포를 추출하기 위해 미분 붕괴률 $\mathrm{d}\Gamma/\mathrm{d}\cos\theta$를 사용한다.
• 비활성 입자의 스핀을 조사하기 위해 각도 비대칭 관측량 $A_{\mathrm{RL}}(\cos\theta)$를 적용하며, 이는 스핀-3/2 대 비대칭 스핀-1/2 성질에 민감하다.
• 운동량 재구성을 통해 두 개체 붕괴 $\widetilde{\tau} \to \tau + \psi_{3/2}$에서 중력보 질량을 추론하며, 붕괴률에 포함된 플랑크 질량 억제를 활용한다.
• LHC 및 선형 충돌기에서의 실험 가능성 고려하며, 저장 고리 또는 전방 수집을 통해 충분한 수의 $\widetilde{\tau}$ NSP를 확보한다고 가정한다.
• 각도 비대칭도 그림에서 중력보, 골드스타인, 중성미오에 대한 예측을 비교하여, 스핀-1/2 상태에서는 특징적인 억제 패tern을 보임을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-3/2 중력보의 성질이 3체 스레프톤 붕괴에서의 각도 분포를 통해 스핀-1/2 골드스타인 또는 중성미오 상태와 실험적으로 구별될 수 있는가?
• RQ2 스레프톤 붕괴 $\widetilde{\tau}$에서 운동량 및 붕괴률 측정만으로 중력보 질량과 결합 상수를 어느 정도까지 조사할 수 있는가?
• RQ3 매우 가벼운 중력보(예: $m_{3/2} \lesssim 10\,\mathrm{keV}$)에 대한 실험 감도는 어떻게 되는가? 이들은 검출기 부피 내에서 붕괴한다.
• RQ4 $\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$ 붕괴에서 각도 및 에너지 분포는 비활성 입자 $X$의 스핀과 질량에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 NSP 수명 측정을 통해 초대칭 파rameter에 종속되지 않고 중력보의 플랑크 규모 억제된 결합 상수를 독립적으로 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 각도 비대칭도 $A_{\mathrm{RL}}(\cos\theta)$는 스핀-1/2 입자인 골드스타인 또는 중성미오의 경우 뒤쪽 붕괴(큰 $\cos\theta$)가 명확히 억제되는 반면, 스핀-3/2 중력보의 경우 이러한 구성이 허용된다.
• 질량 $m_{\widetilde{\tau}} = 150\,\mathrm{GeV}$ 및 중력보 질량 $m_{3/2} = 10\,\mathrm{keV}$일 경우, $\widetilde{\tau}$ 수명은 $\Gamma_{\widetilde{\tau}}^{-1} \simeq 7.8 \times 10^{-7}\,\mathrm{s}$로, 검출기 내부에서의 내재 붕괴로 탐지 가능하다.
• 질량 $m_{\widetilde{\tau}} = 150\,\mathrm{GeV}$ 및 중력보 질량 $m_{3/2} = 75\,\mathrm{GeV}$일 경우, 수명은 $\Gamma_{\widetilde{\tau}}^{-1} \simeq 4.4\,\mathrm{y}$로 증가하여 관찰을 위해 장기간의 축적을 필요로 한다.
• 3체 붕괴률은 $m_{\widetilde{\tau}}$, $m_{3/2}$, $M_{\mathrm{P}}$에만 의존하므로 초중력이론 예측의 모델에 종속되지 않은 시험이 가능하다.
• 중력보 질량이 1 GeV 이하일 경우에도, 중력보의 특징적인 결합 상수(골드스타인 성분으로서)는 $\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$ 붕괴에서의 각도 및 에너지 분포를 통해 조사할 수 있다.
• 중력보 질량이 0으로 수렴할 경우에도 스핀-3/2 성질 덕분에 중력보와 골드스타인의 구별은 강력하게 유지되며, 이는 스핀-1/2 상태에서 금지된 특정 최종 상태 구성이 스핀-3/2 중력보에서는 허용되기 때문이다.