[論文レビュー] Gravitino and Goldstino at Colliders

W. Buchmüller, Koichi Hamaguchi+2 more|ArXiv.org|Mar 18, 2004

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、加速器における長寿命な電荷を帯びたスレプトンの崩壊を通じて超対称性理論を検証する手法を提案しており、主にタウレプトン、光子、および軽い重力ビノまたはゴールズティノにわたる3体崩壊に注目している。これらの崩壊における角度分布およびエネルギー分布を分析することにより、スピン3/2の重力ビノの性質と特徴的な結合定数を、1 GeV未満の重力ビノ質量に対しても調べることができ、スピン1/2のゴールズティノやニュートラリノ状態と区別可能である。

ABSTRACT

We consider theories with spontaneously broken global or local supersymmetry where the pseudo-goldstino or the gravitino is the lightest superparticle (LSP). Assuming that the long-lived next-to-lightest superparticle (NSP) is a charged slepton, we study several supergravity predictions: the NSP lifetime, angular and energy distributions in 3-body NSP decays. The characteristic couplings of the gravitino, or goldstino, can be tested even for very small masses.

研究の動機と目的

• 重力ビノが最軽いスーパーパarticle（LSP）であり、電荷を帯びたスレプトンが2番目に軽いスーパーパarticle（NSP）であるような状況における超対称性理論の予測を検証すること。
• 3体崩壊の観測的シグネチャーを通じて、スピン3/2の重力ビノとスピン1/2のゴールズティノまたはニュートラリノ状態を区別すること。
• NSPの寿命および運動量測定を用いて、重力ビノの質量を特定し、超対称性理論のプランクスケールで抑制された結合定数を検証すること。
• 非常に軽い重力ビノ（keVスケールまで）が検出器内での内部崩壊を通じて検出可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 長寿命な電荷を帯びたスレプトンNSPの3体崩壊を分析：$\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$、ここで$X$は重力ビノ（$\psi_{3/2}$）、ゴールズティノ（$\chi$）、またはニュートラリノ（$\lambda$）である。
• 最終状態粒子の角度分布およびエネルギー分布を抽出するために、微分崩壊断面積$\mathrm{d}\Gamma/\mathrm{d}\cos\theta$を用いる。
• スピン3/2とスピン1/2の性質を区別できる、角度非対称性観測量$A_{\mathrm{RL}}(\cos\theta)$を適用する。
• 運動量再構成を用いて、プランク質量による抑制を考慮した2体崩壊$\widetilde{\tau} \to \tau + \psi_{3/2}$から重力ビノ質量を推定する。
• LHCおよびリニアコライダーでの実験的妥当性を検討し、ストレージリングやフォワード集積を仮定して$\widetilde{\tau}$NSPの十分な蓄積を想定する。
• 重力ビノ、ゴールズティノ、ニュートラリノのそれぞれについて、角度非対称性プロットを比較し、スピン1/2状態では特徴的な抑制パターンが現れることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン3/2の重力ビノが、スピン1/2のゴールズティノやニュートラリノと区別可能かどうか、3体スレプトン崩壊における角度分布を通じて実験的に検証可能か？
• RQ2 スレプトン$\widetilde{\tau}$崩壊における運動量測定および崩壊断面積測定のみを用いて、重力ビノの質量および結合定数をどの程度まで探査可能か？
• RQ3 検出器内での崩壊が生じる非常に軽い重力ビノ（例：$m_{3/2} \lesssim 10\,\mathrm{keV}$）に対する実験的感度はどの程度か？
• RQ4 スレプトン$\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$の崩壊における角度分布およびエネルギー分布は、非可視粒子$X$のスピンおよび質量にどのように依存するか？
• RQ5 NSPの寿命測定を用いて、重力ビノのプランクスケールで抑制された結合定数を他のSUSYパラメータに依存せずに独立に検証可能か？

主な発見

• 角度非対称性$A_{\mathrm{RL}}(\cos\theta)$は、スピン1/2粒子（ゴールズティノやニュートラリノ）では後方崩壊（$\cos\theta$が大きい）が明確に抑制されるのに対し、スピン3/2の重力ビノではこのような状態が許容されることを示している。
• 質量$m_{\widetilde{\tau}} = 150\,\mathrm{GeV}$および重力ビノ質量$m_{3/2} = 10\,\mathrm{keV}$のとき、$\widetilde{\tau}$の寿命は$\Gamma_{\widetilde{\tau}}^{-1} \simeq 7.8 \times 10^{-7}\,\mathrm{s}$となり、検出器内での内部崩壊により検出可能である。
• 質量$m_{\widetilde{\tau}} = 150\,\mathrm{GeV}$および重力ビノ質量$m_{3/2} = 75\,\mathrm{GeV}$のとき、寿命は$\Gamma_{\widetilde{\tau}}^{-1} \simeq 4.4\,\mathrm{y}$にまで延び、観測のためには長期的蓄積が必要となる。
• 3体崩壊断面積は、$m_{\widetilde{\tau}}$、$m_{3/2}$、および$M_{\mathrm{P}}$にのみ依存するため、モデルに依存しない超対称性理論の予測を検証可能である。
• 重力ビノ質量が1 GeV未満であっても、スレプトン$\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$崩壊における角度分布およびエネルギー分布を用いて、重力ビノの特徴的な結合定数（ゴールズティノ成分としての寄与）を調べることができる。
• 重力ビノのスピン3/2性質により、スピン1/2状態では禁止される最終状態の配置が、重力ビノでは許容されるため、$m_{3/2} \to 0$の極限においても重力ビノとゴールズティノの区別は安定に保たれる。