[논문 리뷰] Naturalness and light higgsinos: A powerful reason to build the ILC

Howard Baer, H. Fujii외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자연스러운 초대칭이 경량 힉스티노(100–300 GeV)와 작은 질량 분열(~5–20 GeV)을 예측하며, 이는 LHC에서 거의 보이지 않게 되지만, 제안된 국제 선형 충돌기(ILC)에서 검출 가능하다고 주장한다. ILC에서의 힉스티노 쌍 생성 및 붕괴의 정밀 측정을 통해, 이 연구는 ILC가 경량 힉스티노를 발견하거나 배제하고, 초대칭의 핵심 매개변수를 추출할 수 있음을 보여주며, 자연성과 대통합 스케일 물리학을 직접적으로 탐사할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A core prediction of natural Supersymmetry is the existence of four light higgsinos not too far above the mass of the $Z$ boson. The small mass splittings amongst the higgsinos -- typically 5-20\,GeV -- imply very little visible energy release from decays of heavier higgsinos. In particular, if other SUSY particles are quite heavy, as can be the case in SUSY with radiatively-driven naturalness, the higgsinos are extremely hard to detect at hadron colliders. The clean environment of electron-positron colliders with $\sqrt{s} > 2m_{\mathrm{higgsino}}$, however, would allow for a decisive search for the required light higgsinos. Thus, $e^+e^-$ colliders should either discover or exclude natural SUSY. We present a detailed study of higgsino pair production at the proposed International Linear $e^+e^-$ Collider which is under consideration for construction in Japan. A variety of precision measurements should allow for extraction of underlying parameters and provide a window onto physics at the grand unified scale.

연구 동기 및 목표

• 자연스러운 초대칭이 경량 힉스티노(100–300 GeV)와 작은 질량 분열(~5–20 GeV)을 예측하며, 이로 인해 LHC에서 거의 보이지 않게 되는지를 입증하는 것.
• √s > 2mhiggsino 조건을 만족하는 ILC의 청결한 환경이 경량 힉스티노의 결정적 발견 또는 배제를 가능하게 한다는 것을 보여주는 것.
• ILC에서의 힉스티노 쌍 생성 및 붕괴에 대한 정밀 측정을 통해 높은 정확도로 기본 초대칭 매개변수를 추출할 수 있음을 보여주는 것.
• ILC와 LHC 데이터를 통합하여 GUT 스케일에서의 게이지 보손 질량 통일성 가설을 시험하는 것.
• ILC가 약한 스케일에서의 자연성과 새로운 물리학을 탐색할 수 있는 고유한 능력을 바탕으로, ILC 건설에 강력한 동기를 제공하는 것.

제안 방법

• WHIZARD 이벤트 생성기와 함께 빔스트랄부이닝, ISR 및 PYTHIA 6.422를 통한 하드론화를 고려하여 ILC에서의 힉스티노 쌍 생성을 시뮬레이션.
• ILD 개념의 전체 GEANT4 기반 검출기 시뮬레이션을 사용하여 전이-전자 및 전이-뮤온 최종 상태의 신호 및 배경 이벤트를 모델링.
• 500 fb⁻¹ 루미너시 조건에서 최종 상태 전자 및 뮤온의 인variant 질량 및 에너지 분포를 활용하여 힉스티노 질량을 약 1% 정밀도로 추출.
• 편광된 e⁺e⁻ 빔(P(e⁻,e⁺) = +80%/-30% 및 -80%/+30%)을 활용하여 편광에 의존하는 단면적을 통해 힉스티노 유사 상태와 윈오 유사 상태의 채널을 구분.
• ILC 측정치와 LHC에서의 10% 정확도의 글루아노 질량 측정치를 통합하여 SUSY 매개변수의 글로벌 피팅을 수행하기 위해 FITTINO 소프트웨어를 사용.
• SPHENO를 통해 2중계 RGE를 사용하여 피팅된 약한 스케일 매개변수를 GUT 스케일로 외삽하여 게이지 보손 질량 통일성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 스펙트럼으로 인해 LHC에서 거의 보이지 않거나 매우 약하게 보이는 경량 힉스티노를 ILC가 검출할 수 있는가?
• RQ2 ILC는 얼마나 정밀하게 힉스티노 질량과 생성 단면적을 측정할 수 있는가?
• RQ3 힉스티노 생성 단면적의 편광 의존성은 힉스티노 유사 상태와 윈오 유사 상태를 구분하는 데 어떤 정도의 정밀도를 제공하는가?
• RQ4 ILC와 LHC 데이터를 통합하여 GUT 스케일에서의 게이지 보손 질량 통일성 가설을 검증할 수 있는가?
• RQ5 LHC에서 검출되지 않는다면, ILC는 글루아노 질량에 대해 어떤 예측력을 지닐 수 있는가?

주요 결과

• ILC에서의 힉스티노 쌍 생성 단면적은 운동학적 임계값을 약간 초과하는 범위에서 10²–10³ fb 수준에 위치하여 고정밀 측정이 가능하다.
• √s = 500 GeV 조건에서 500 fb⁻¹ 루미너시로, 이중 전자 또는 이중 뮤온의 인variant 질량 및 에너지 분포를 기반으로 힉스티노 질량을 약 1% 정밀도로 추출할 수 있다.
• 편광에 의존하는 단면적을 활용하여 힉스티노 성격을 3% 정밀도로 측정할 수 있으며, 이는 윈오 유사 상태와의 구분에 기여한다.
• ILC는 힉스 보손 붕괴 비율을 1% 미만의 정밀도로 측정할 수 있어, 모델에 종속되지 않는 결합 측정이 가능하다.
• 약한 스케일에서 피팅된 SUSY 매개변수(µ, tanβ, M₁, M₂, M₃)는 GUT 스케일로 외삽되었으며, NUHM2 벤치마크에서 통일성과 일치함을 보였다.
• 글루아노가 LHC에서 관측되지 않더라도, ILC는 M₁과 M₂의 통일 스케일을 시험할 수 있으며, GUT 스케일에서의 통일성이 성립한다면 M₃를 예측할 수 있다.