[논문 리뷰] Collider signatures of low scale supersymmetry breaking: A Snowmass 2013 White Paper

Emilian Dudaş, Christoffer Petersson외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 테바 스케일 근처에서 저에너지에서 초대칭(SUSY)가 깨지는 경우, 자발적 SUSY 위반의 나무-골드스틴 모드인 골드스타인과 스구올드스타인이 표준모형과 초대칭 페어 간의 새로운 상호작용을 매개하는 것을 조사한다. 이는 뚜렷한 신호들, 예를 들어 공진적 두 광자, 두 제트, 두 보존 final 상태, 단일 광자 + 미량 에너지 및 네 광자로의 이국적 힉스 붕괴, 수정된 힉스 결합 등을 포함하며, 이는 부드러운 SUSY 위반 매개변수에 민감하고 초대칭 페어 스펙트럼을 통합적으로 탐색할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We consider the possibility that supersymmetry is broken at a low scale, within one order of magnitude above the TeV scale. In such a case, the degrees of freedom associated with the spontaneous breaking of supersymmetry, the goldstino fermion and its scalar superpartner (the sgoldstino), can have significant interactions with the Standard Model particles and their superpartners. We discuss some characteristic processes, involving the goldstino and the sgoldstino, and the collider signatures they give rise to. These signatures involve scalar resonances in the di-photon, di-jet, di-boson and di-tau channels, the possible relation between these resonances and deviations in the Higgs couplings as well as exotic Higgs decays in the monophoton+MET and the four photon channels.

연구 동기 및 목표

• 테바 스케일 근처에서 자발적 SUSY 위반이 일어나는 저에너지에서의 초대칭 위반 현상의 현상학적 결과를 탐색하는 것.
• 전통적인 SUSY 모델에 존재하지 않는 골드스타인과 스구올드스타인의 상호작용으로 인해 발생하는 뚜렷한 충돌기 신호를 식별하는 것.
• 공진적 스칼라 상태와 이국적 힉스 붕괴와 같은 이러한 신호들이 LHC에서 탐지 가능하며, 초대칭 페어 스펙트럼에 대한 통합적인 통찰을 제공할 수 있음을 보여주는 것.
• 초기 LHC 데이터에서의 실험적 신호 부재를 고려할 때, 저에너지 SUSY 위반을 대상으로 하는 체계적인 실험 프로그램을 주장하는 것.

제안 방법

• 논문은 골드스타인과 스구올드스타인을 F-항성 기대값 f가 비영인 게이지 싱เก트 캐리얼 수퍼필드 X의 구성요소로 모델링하며, SUSY를 자발적으로 위반한다.
• 부드러운 SUSY 위반 항목(스칼라 질량, 게이지노 질량)을 X 수퍼필드를 포함하는 SUSY 불변 연산자로 승격시켜, 부드러운 질량과 f의 비율에 비례하는 상호작용을 생성한다.
• 결과적으로 유도된 라그랑지안은 골드스타인의 슈퍼전류 및 표준모형 초대칭 페어와의 도함수 및 비도함수 상호작용을 포함하며, 그 강도는 부드러운 매개변수를 f로 나눈 값에 의해 결정된다.
• 특정 과정, 예를 들어 h → γγ, h → jj, h → 4γ, h → γ + E_T, h → ZZ*를 분석하며, 힉스가 골드스타인 쌍으로 붕괴되거나 중간 상태로 스구올드스타인 공진을 거치는 경우를 고려한다.
• 운동량 및 위상공간 제약 조건을 분석하며, 특히 두 광자 및 네 광자 최종 상태에 중점을 두고, 스구올드스타인 질량과 붕괴 모드의 역할을 평가한다.
• 다양한 스핀과 로렌츠 형식에 대해 실험적 효율성 및 수용도 측정치의 중요성을 강조하여 신호 식별을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SUSY가 테바 스케일에서 위반될 경우, 경량 골드스타인과 스구올드스타인이 존재할 때 어떤 충돌기 신호가 발생하는가?
• RQ2 골드스타인과 스구올드스타인이 표준모형 및 초대칭 페어 필드와의 상호작용이 힉스 보손 붕괴 및 생성 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 스구올드스타인 교환를 통해 두 광자, 두 제트, 두 보존 최종 상태에서 공진적 스칼라 상태가 생성될 수 있으며, 그 운동학적 성질은 무엇인가?
• RQ4 h → 단일 광자 + 미량 에너지 또는 h → 4γ와 같은 이국적 힉스 붕괴는 얼마나 저에너지 SUSY 위반을 탐지하는 데 유용한가?
• RQ5 기존 실험 분석은 어떻게 수정되어 이러한 신호, 특히 미량 에너지 및 뭉쳐진 광자 최종 상태를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 경량 스구올드스타인이 붕괴함으로써 발생하는 두 광자, 두 제트, 두 보존 채널에서의 공진적 스칼라 상태는, 힉스 질량과 스구올드스타인 질량에 의해 질량이 제약을 받는다.
• 두 골드스타인이 붕괴하는 이국적 힉스 붕괴(h → GG)는 단일 광자 + 미량 에너지 최종 상태를 유도하며, 광자의 횡방향 운동량 끝점은 약 m_h/2 ≈ 63 GeV에 위치한다.
• 히iggs 붕괴가 두 개의 스구올드스타인으로 이루어지는 두체 붕괴 h → xx를 통해 일어나며, 이는 이후 γγ, jj, 또는 ττ로 붕괴할 수 있다. 스구올드스타인이 100–400 MeV 이상의 질량을 가질 경우 네 광자 최종 상태는 재구성 가능하다.
• 스구올드스타인은 수정된 힉스 결합을 매개할 수 있으며, 이는 광자 및 글루온과의 상호작용에서의 힉스 신호 강도의 편차를 유도하며, 이는 부드러운 SUSY 위반 스케일과 초대칭 페어 질량에 민감하다.
• 논문은 4제트 최종 상태는 QCD 배경에 의해 뒤덮이지만, 스구올드스타인이 b-쿼크로 붕괴할 경우 2b2j 및 4b 최종 상태에서 b-태깅을 통해 탐지 가능하다고 지적한다.
• 저자들은 기존의 두 광자 및 단일 광자 + 미량 에너지 최종 상태 분석을 재사용하여 이러한 신호를 탐지할 수 있으며, 이는 다양한 스핀과 로렌츠 형식에 대해 세부적인 효율성 및 수용도 정보가 확보되어 있을 경우 가능하다고 주장한다.