[논문 리뷰] Naturalness and light Higgsinos: why ILC is the right machine for SUSY discovery

Suvi-Leena Lehtinen, Howard Baer외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 빔-지배적 자연 초대칭(SUSY)에서 예측하는 경량으로 거의 질량이 일치하는 힉시노(100–200 GeV)의 경우, 국제 선형 충돌기(ILC)가 자연 초대칭을 발견하거나 배제하는 데 유일하게 적합하다고 주장한다. √s = 500 GeV에서 ILD 검출기 개념을 사용한 정밀 시뮬레이션을 통해, 힉시노 질량과 생성 단면적을 약 1%의 정밀도로 측정할 수 있음을 보여주며, 이는 더 무거운 초대칭 입자의 정확한 예측과 게이지노 통합 검증에 기여한다.

ABSTRACT

Radiatively-driven natural supersymmetry, a theoretically and experimentally well-motivated framework, centers around the predicted existence of four light, nearly mass-degenerate Higgsinos with mass $\sim 100-200$ GeV (not too far above $m_Z$). The small mass splittings amongst the higgsinos, typically 4-20 GeV, results in very little visible energy arising from decays of the heavier higgsinos. Given that other SUSY particles are considerably heavy, this makes detection challenging at hadron colliders. On the other hand, the clean environment of an electron-positron collider with $\sqrt{s}>2m_{higgsino}$ would enable a decisive search of these required higgsinos, and thus either the discovery or exclusion of natural SUSY. We present a detailed simulation study of precision measurements of higgsino masses and production cross sections at $\sqrt{s}$ = 500 GeV of the proposed International Linear Collider currently under consideration for construction in Japan. The study is based on a Geant4 simulation of the International Large Detector concept. We examine several benchmark points just beyond the HL-LHC reach, with four light higgsinos directly accessible by the ILC, and the mass differences between the lightest SUSY particle and the heavier states ranging from about 4 to 20 GeV. It can be shown that their masses and production cross sections can be precisely measured to approximately 1\% precision or better. These precise measurements allow for extracting the underlying weak scale SUSY parameters, giving predictions for the masses of heavier SUSY states. These provide motivation for future high-energy colliders. Additionally, dark matter properties may be derived. Evolution of the measured gaugino masses to high energies should allow testing the hypothesis of gaugino mass unification.

연구 동기 및 목표

• 빔-지배적 자연 초대칭의 맥락에서 ILC가 경량 힉시노를 발견하거나 배제할 수 있는 능력을 평가하기 위해.
• ILD 검출기 개념을 사용하여 √s = 500 GeV에서 힉시노 질량과 단면적 측정의 정밀도를 평가하기 위해.
• 측정된 경량 힉시노의 정밀 측정이 더 무거운 관측되지 않은 초대칭 입자의 질량을 제약하거나 예측할 수 있는지 판단하기 위해.
• 측정된 저에너지 초대칭 매개변수를 고에너지 스케일로 연장하여 게이지노 질량 통합 가설을 검증하기 위해.
• MicrOMEGAs를 사용한 잔류 밀도 예측을 통해 이 시나리오에서 힉시노 LSP의 암흑 물질 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Whizard와 Pythia를 사용한 이벤트 생성 및 하드론화 과정을 통한 √s = 500 GeV에서의 힉시노 쌍 생성 및 붕괴 반응(e+e− → χ̃0_1χ̃0_2 및 e+e− → χ̃+1χ̃−1)의 시뮬레이션.
• 국제 대형 검출기(ILD) 개념의 Geant4 기반 시뮬레이션을 활용해 검출기 반응을 모델링하고 붕괴 제품의 인variant 질량을 재구성하기 위해.
• 신호 감도 향상과 배경 감소를 위해 80% e− 및 30% e+의 비스듬한 광자 조절을 적용하기 위해.
• 알려진 질량 중심 에너지와 운동량 보존 법칙을 활용해 가시 붕괴 제품의 인variant 질량 피크를 통해 힉시노 질량을 재구성하기 위해.
• 4 ab−1의 통합 루미너시를 사용한 컷-앤드-카운트 전략을 통해 생성 단면적 측정하기 위해.
• 측정된 힉시노 질량, 단면적 및 ILC 힉시 보존량을 입력으로 사용하여 Fittino(MCMC)를 사용한 10개 매개변수 pMSSM 피팅을 수행하고, SPheno와 FeynHiggs를 통해 매개변수를 GUT 스케일로 연장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILC는 자연 초대칭의 맥락에서 경량 힉시노 질량과 생성 단면적 측정에 대해 1퍼센트 이내의 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 경량 힉시노의 정밀 측정이 더 무거운 관측되지 않은 초대칭 입자의 질량을 어느 정도 제약하거나 예측할 수 있는가?
• RQ3 측정된 게이지노 질량을 고에너지 스케일로 연장하는 것이 게이지노 질량 통합 가설을 검증하고 기초적인 GUT 스케일 물리학을 드러내는 데 기여할 수 있는가?
• RQ4 이 시나리오에서 힉시노 LSP의 암흑 물질 영향은 무엇이며, ILC 측정 결과로부터 그 잔류 밀도를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 빔 편광과 검출기 시뮬레이션은 ILC의 청결한 환경에서 경량 힉시노 감지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• √s = 500 GeV에서 ILD 검출기 개념을 사용할 경우, 힉시노 질량은 약 1% 또는 그 이하의 정밀도로 측정 가능하다.
• 4 ab−1 데이터 세트에서 힉시노 쌍 생성 단면적은 통계적 불확실성 0.5–2% 범위 내에서 측정 가능하다.
• 힉시노 질량 분리도를 지배하는 바이노 및 윈오 질량 매개변수(M1 및 M2)는 1–2%의 불확실성으로 제약되며, 이는 더 무거운 중성노 및 카이르노 질량을 2% 정밀도로 예측할 수 있음을 의미한다.
• 1σ 및 2σ 신뢰구간에서 관측되지 않은 스퍼파트클의 질량이 높은 정확도로 예측되었으며, 그림 3의 ILC1에서 이를 확인할 수 있다.
• M1 및 M2를 고에너지 스케일로 연장한 결과, 2 × 10^16 GeV에서 통합이 이루어짐을 보여주며, GUT 스케일 초대칭 모델에 대한 강력한 증거를 제공한다.
• M3가 동일한 스케일에서 통합된다고 가정할 경우, 글루아노 질량을 높은 신뢰도로 예측할 수 있으며, 이는 향후 충돌기 에너지 계획에 중요한 안내를 제공한다.