[논문 리뷰] Particle and Astroparticle Searches for Supersymmetry

Jonathan L. Feng, K. Matchev외 1명|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최소 초대칭 중력 이론 프레임워크 내에서 입자 및 천체입자 탐사의 종합적 분석을 제시하며, 콜라이더, 저에너지 정밀도 측정, 직접 및 간접 암흑물질 탐사 간의 상호보완성을 강조한다. 연구는 모든 우주론적으로 선호되는 초대칭 모델을 거의 모두 탐사할 수 있음을 보여주며, 만약 초대칭이 약한 에너지 스케일에서 실현되고 중성미온이 암흑물질이라면, LHC 운영 이전에 관측 가능한 신호가 나타나야 한다—특히 초대칭 입자가 500 GeV 선형 콜라이더로 탐지될 수 있을 정도로 가볍다면 더욱 그렇다.

ABSTRACT

Supersymmetry may be discovered at high energy colliders, through low energy precision measurements, and by dark matter searches. We present a comprehensive analysis of all available probes in minimal supergravity. This work extends previous analyses by including the focus point branch of parameter space and the full array of promising indirect dark matter searches. We find that particle and astrophysical searches underway are highly complementary: each separately provides only partial coverage of the available parameter space, but together they probe almost all models. Cosmology does {\em not} provide upper bounds on superpartner masses useful for future colliders. At the same time, in the cosmologically preferred region, if supersymmetry is to be observable at a 500 GeV linear collider, some signature of supersymmetry must appear {\em before} the LHC.

연구 동기 및 목표

• 최소 초대칭 중력 이론 프레임워크 내에서 초대칭을 위한 입자 및 천체입자 탐사의 전반적 조합을 평가하기 위해.
• 기존 분석을 확장하여, 특별한 암흑물질 성질을 지닌 매개변수 공간의 포커스 포인트 영역을 포함하기 위해.
• 간접 암흑물질 탐사(예: 중성미자, 감마선, 반물질 탐측)의 민감도를 직접 및 콜라이더 탐사와 함께 평가하기 위해.
• 미래 실험들이 LHC 운영 이전에 우주론적으로 선호되는 초대칭 모델의 전반적인 범위를 커버할 수 있는지 판단하기 위해.
• 500 GeV 선형 콜라이저가 초대칭을 관측할 수 있는 조건이, 다른 실험에서 신호가 먼저 나타나야만 가능한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 초대칭 현상학의 보수적 기준점으로 최소 초대칭 중력(mSUGRA) 프레임워크를 사용한다.
• 가장 가벼운 중성미온이 상당한 힉스키노 성분을 지닌 매개변수 공간의 포커스 포인트 영역을 통합한다.
• 다양한 실험적 탐사로부터의 제약 조건과 민감도 평가: LEP, 테바트론, B-팩터리 $B\to X_s\gamma$, $g_\mu-2$, 직접 암흑물질 탐지기(예: CDMS, CRESST, GENIUS), 간접 탐사(중성미자, 감마선, 양전자, 반프로톤).
• 표 1의 민감도 임계값을 사용하여 실험적 탐색 범위를 예측하며, 치아린오 질량, $B\to X_s\gamma$ 분해비율, 뮤온 비례 자기모멘트, 중성미온 결합으로 인한 보조 입자 플럭스에 대한 제한을 포함한다.
• 감마선 탐사에 대해 허브리 모델 의존성 제약 조건을 적용하며, 중간 정도의 프로파일($\bar{J}=500$)을 가정한다.
• 모든 탐사 방법의 결과를 통합하여 mSUGRA 매개변수 공간의 총 커버리지 평가를 수행하며, 특히 $\Omega_\chi h^2 \in [0.1, 0.3]$ 영역에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 운영 이전에 현재 및 근래의 실험들이 우주론적으로 선호되는 초대칭 모델의 전반적인 범위를 탐사할 수 있는가?
• RQ2 특히 중성미자, 감마선, 반물질 탐측을 포함한 간접 암흑물질 탐사는 전통적인 콜라이더 및 저에너지 정밀도 측정과 어떻게 상호보완적인가?
• RQ3 초대칭이 약한 에너지 스케일에서 실현되고 중성미온이 암흑물질이라면, 500 GeV 선형 콜라이저에 대한 함의는 무엇인가?
• RQ4 왜 mSUGRA의 포커스 포인트 영역이 간접 암흑물질 탐사에 특히 유망한가?
• RQ5 초대칭이 현재 및 계획 중인 모든 실험에서 탐지되지 않을 수 있는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 입자 및 천체물리적 탐사는 매우 상호보완적이다: 단일 탐사 방법은 전체 매개변수 공간을 커버하지 못하지만, 그 조합은 거의 모든 우주론적으로 선호되는 모델을 커버한다.
• 포커스 포인트 영역에서는 중성미온이 상당한 힉스키노 성분을 지니며, 이는 중성미자 및 감마선 탐측을 포함한 간접 암흑물질 탐사에 대해 최대 민감도를 보인다.
• 모델의 $\tan\beta = 10$일 경우, 모든 우주론적으로 선호되는 모델이 LHC 운영 이전에 적어도 한 가지 실험에서 관측 가능한 신호를 낼 수 있다.
• 모델의 $\tan\beta = 50$일 경우, $M_{1/2} \gtrsim 450~{\rm GeV}$ 및 $m_0 \gtrsim 1.5~{\rm TeV}$ 영역에 작은 매개변수 공간이 탐지되지 않지만, 이는 상당한 정밀조정이 필요하며 자연성 원칙에 의해 불리하게 평가된다.
• 초대칭이 약한 에너지 스케일에서 실현되고 중성미온이 암흑물질이라면, 500 GeV 선형 콜라이저가 초대칭 입자를 관측할 수 있는 것은 다른 실험에서 신호가 먼저 나타나야만 가능하다—이 결론은 자연성 원칙과 무관하게 성립한다.