[논문 리뷰] Improved $(g-2)_μ$ Measurements and Supersymmetry : Implications for $e^+e^-$ colliders

Manimala Chakraborti, S. Heinemeyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 뮤온의 비정상 자기모멘트에서 지속적인 4.2σ 이격 현상에 대한 해결책으로 미니멀 초대칭 표준모형(MSSM)을 조사한다. $(g-2)_\mu$. LHC의 직접 탐색, 암흑물질의 잔류 밀도, 그리고 직접 탐측의 제약 조건을 통합하여, 가장 가벼운 중성보(지배 중성보, LSP)와 그 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)의 질량이 약 600 GeV 이하이어야 하며, 이는 향후 ILC와 CLIC와 같은 $e^+e^-$ 충돌기의 주요 타겟이 될 수 있음을 밝혀낸다.

ABSTRACT

The persistent 3-4$σ$ discrepancy between the experimental result from BNL for the anomalous magnetic moment of the muon and its Standard Model (SM) prediction, was confirmed recently by the "MUON G-2" result from Fermilab. The combination of the two measurements yields a deviation of 4.2$σ$ from the SM value. Here, we review an analysis of the parameter space of the electroweak (EW) sector of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), which can provide a suitable explanation of the anomaly while being in full agreement with other latest experimental data like the direct searches for EW particles at the LHC and dark matter (DM) relic density and direct detection constraints. Taking the lightest supersymmetric particle (LSP) (the lightest neutralino in our case) to be the DM candidate, we discuss the case of a mixed bino/wino LSP, which can account for the full DM relic density of the universe and that of wino and higgsino DM, where we take the relic density only as an upper bound. We observe that an upper limit of ~ 600 GeV can be obtained for the LSP and next-to (N)LSP masses establishing clear search targets for the future HL-LHC EW searches, but in particular for future high-energy $e^+e^-$ colliders, such as the ILC or CLIC.

연구 동기 및 목표

• MSSM에서 $(g-2)_\mu$의 4.2\sigma 이격 현상을 설명할 수 있는 초대칭 매개변수 공간을 규명하는 것.
• CheckMATE를 통한 재해석을 통해 LHC의 카이니온, 중성보, 라이프톤에 대한 최신 직접 탐색 제약 조건을 통합하는 것.
• 잔류 암흑물질 밀도와 직접 탐측 제약 조건을 포함하여 허용 가능한 매개변수 공간을 추가로 제약하는 것.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 접근 가능한 LSP와 NLSP의 특정 질량 범위를 규명하는 것.
• ILC와 CLIC와 같은 향후 $e^+e^-$ 충돌기의 압축된 SUSY 스펙트럼(특히 힉스노, 윈오, 바이노/윈오 어두운 물질에 관련된)에 대한 발견 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 공통적인 연속성 파라미터를 가진 카이니온, 중성보, 라이프톤을 중심으로 MSSM의 전자기적 섹터를 분석한다.
• 최신 $(g-2)_\mu$ 세계 평균($\Delta a_\mu = 25.1 \pm 5.9 \times 10^{-10}$)과 3.7\sigma에서 4.2\sigma의 이격 현상에 대한 제약 조건을 적용한다.
• CheckMATE를 통한 재해석을 통해 중성보, 카이니온, 라이프톤 질량에 대한 직접적인 LHC 탐색 제약 조건을 적용한다.
• 두 가지 어두운 물질 시나리오를 고려한다: (1) 전체 잔류 밀도를 설명하는 혼합 바이노/윈오 지배 중성보, (2) 잔류 밀도가 상한선으로 주어지는 윈오/힉스노 지배 중성보.
• ILC와 CLIC와 같은 향후 $e^+e^-$ 충돌기의 발견 가능성을 $m_{\tilde{\chi}_1^{\pm}}$–$\Delta m$ 평면에서 예측하며, 여기서 $\Delta m = m_{\tilde{\chi}_1^{\pm}} - m_{\tilde{\chi}_1^0}$이다.
• 압축된 스펙트럼과 $Z/h$-폴스 과정에 대한 감도를 평가하여 $e^+e^- \to \tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0\gamma$ 최종 상태의 가능성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재 실험 제약 조건을 만족하면서 $(g-2)_\mu$의 4.2σ 이격 현상을 설명할 수 있는 MSSM에서 LSP와 NLSP의 질량 범위는 무엇인가?
• RQ2 LHC의 직접 탐색, 잔류 암흑물질 밀도, 직접 탐측 한계는 $(g-2)_\mu$ 이격 현상의 맥락에서 MSSM 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 향후 ILC와 CLIC와 같은 $e^+e^-$ 충돌기는 힉스노, 윈오, 바이노/윈오 어두운 물질에 관련된 압축된 SUSY 스펙트럼을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ4 LSP 조성의 다양한 시나리오에서 ILC와 CLIC의 예상 발견 가능성이 $m_{\tilde{\chi}_1^{\pm}}$–$\Delta m$ 평면에서 어떻게 달라지는가?
• RQ5 $e^+e^-$ 충돌기에서 중성보의 $Z$ 또는 $h$-폴스 공진 생성은 $(g-2)_\mu$ 해결책의 맥락에서 검출 가능한 신호를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 최신 $(g-2)_\mu$ 결과와 LHC 탐색의 통합 제약 조건은 MSSM에서 LSP와 NLSP 질량이 약 600 GeV 이하이어야 한다는 것을 시사한다.
• 힉스노와 윈오 어두운 물질의 경우, 전체 허용 매개변수 공간은 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기(예: ILC1000 또는 CLIC1500)에 의해 탐색 가능하며, 특히 압축된 스펙트럼 영역에서 그러하다.
• 전체 어두운 물질 잔류 밀도를 설명하는 바이노/윈오 LSP 시나리오는 향후 $e^+e^-$ 충돌기에 의해 가장 효과적으로 제약을 받으며, CLIC1500은 전체 허용 영역을 커버할 것으로 예상된다.
• HL-LHC와 HE-LHC는 작은 질량 간격으로 인해 윈오 및 힉스노 어두운 물질의 매개변수 공간을 부분적으로만 커버할 수 있어, 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기의 필요성을 강조한다.
• 중성보의 $Z$ 또는 $h$-폴스 공진 생성은 $e^+e^-$ 충돌기의 발견 가능성을 크게 향상시키며, 이는 검출 가능한 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0\gamma$ 최종 상태를 유도할 수 있다.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기는 압축된 SUSY 스펙트럼의 전체 매개변수 공간을 커버하는 데 필수적이며, 특히 윈오 및 힉스노 어두운 물질의 경우 $pp$-기반 충돌기로는 부족하다.