[논문 리뷰] The Status of Supersymmetry after the LHC Run 1

P. Bechtle, Tilman Plehn외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 112인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1 이후 초대칭(SUSY)의 현황을 검토하며, 이론적 동기, 다양한 최종 상태에서의 실험적 탐색, 제약 조건에 대한 글로벌 피팅을 평가한다. 직접 발견이 이루어지지 않았음에도 불구하고 LHC 데이터는 초대칭 모델—특히 CMSSM—를 95% 신뢰수준에서 배제하며, 향후 런 2 데이터는 테바 스케일에서 강하게 상호작용하는 초대칭 상태의 존재 여부에 대해 결정적인 답을 줄 것으로 기대된다.

ABSTRACT

Supersymmetry (SUSY) is a complete and renormalisable candidate for an extension of the Standard Model. At an energy scale not too far above the electroweak scale it would solve the hierarchy problem of the SM Higgs boson, dynamically explain electroweak symmetry breaking, and provide a dark-matter candidate. Since it doubles the Standard Model degrees of freedom, SUSY predicts a large number of additional particles, whose properties and effects on precision measurements can be explicitly predicted in a given SUSY model. In this review the motivation for SUSY is outlined, the various searches strategies for SUSY particles at the LHC are described, and the status of SUSY in global analyses after the LHC Run 1 is summarized.

연구 동기 및 목표

• 계층 문제 해결 및 게이지 커플링의 통합을 위한 초대칭의 타당성을 평가하기 위해.
• 관측된 힉스 보손 질량과 암흑물질 제약 조건을 고려할 때 LHC 런 1 데이터가 초대칭 모델에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 런 1 동안의 직접적 및 간접적 실험 제약 조건을 요약하기 위해, 특히 제트 + 미량 운동량, 레프톤 최종 상태, 그리고 이국적인 서명을 포함하여.
• 간단 모델과 글로벌 피팅이 초대칭 매개변수 공간을 어떻게 제약하는지 검토하기 위해.
• 특히 글루아노와 제3세대 스퀘어크를 중심으로, LHC 런 2에서 초대칭의 발견 가능성을 예측하기 위해.

제안 방법

• 직접적인 LHC 탐색, 저에너지 정밀 측정, 천체물리학 데이터, B-팩토리 결과를 통합한 글로벌 피팅을 통해 초대칭 모델을 제약하기 위해.
• 글루아노 및 토프 스퀘어크 붕괴와 같은 주요 초대칭 채널에서 배제 및 발견 가능성을 이해하기 위해 단순 모델 프레임워크를 활용하기 위해.
• 제트, 레프톤, 광자, 그리고 미량 운동량($E^\text{miss}_\mathrm{T}$) 최종 상태에서 ATLAS와 CMS의 실험 결과를 분석하기 위해.
• CMSSM 및 mSUGRA와 같은 벤치마크 모델에 대해 런 1 데이터의 95% 신뢰수준(CL) 배제 한계를 적용하기 위해.
• 300 fb$^{-1}$ 및 3000 fb$^{-1}$의 루미노시티 시나리오를 사용하여 $\tilde{g}$–$\tilde{\chi}^0_1$, $\tilde{t}_1$–$\tilde{\chi}^0_1$, $\tilde{\chi}^\pm_1$–$\tilde{\chi}^0_1$와 같은 질량 평면에서 런 2의 발견 가능성을 예측하기 위해.
• 압축된 스펙트럼과 R-포탄 보존 위반 시나리오 등으로 인한 운동학적 과제를 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 1 결과가 CMSSM 및 기타 제약된 초대칭 모델을 어느 정도 배제하는가?
• RQ2 제트, 레프톤, 광자, 그리고 미량 에너지를 포함한 최종 상태에서의 직접적 탐색이 MSSM 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 고루미노시티 시나리오 하에서, 런 2에서 글루아노와 토프 스퀘어크에 대한 초대칭의 발견 가능성은 어떠한가?
• RQ4 이상자기모멘트의 비정상성($(g-2)_\mu$)과 같은 간접적 제약 조건이 직접적인 LHC 제약 조건과 함께 초대칭 매개변수 공간의 타당성을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 운동학적 효과(예: 압축된 스펙트럼)가 초대칭 탐색의 민감도를 크게 감소시키는 경우는 언제이며, 이는 모델의 배제에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CMSSM는 힉스 질량 측정, 직접적인 LHC 초대칭 탐색, 저에너지 정밀 측정 데이터의 조합으로 인해 95% 신뢰수준에서 배제된다.
• 다양한 최종 상태에서 광범위한 탐색에도 불구하고 LHC 런 1에서 새로운 물리의 통계적으로 유의미한 신호는 관측되지 않았다.
• 약 125 GeV의 관측된 힉스 보손 질량은 MSSM 예측과 일치하며, 모델을 배제하지는 않는다.
• 3000 fb$^{-1}$ 루미노시티에서 $\tilde{g} \to q\bar{q}\tilde{\chi}^0_1$ 채널에서 글루아노 쌍 생성의 발견 가능성이 2 테바 이상의 질량까지 연장된다.
• 가장 가벼운 초대칭 입자와 그 부모 입자 사이의 질량 분리가 작은 압축된 스펙트럼은 트리거 및 선택 효율을 크게 감소시켜 배제 및 발견 가능성을 약화시킨다.
• 런 2의 전망은 매우 밝으며, MSSM과 몇 테바 스케일에서 강하게 상호작용하는 초대칭 상태를 결정적으로 테스트할 수 있는 잠재력이 있다.