[论文解读] Helmholtz Aliance Linear Collider Forum

Moortgat-Pick, Gudrid, Fleck, I.+110 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 1

一句话总结

本文提出，ILC/CLIC对撞机能够精确测量长寿命带电停时时态中性微子（NLSP）的性质，其衰变为引力子或轴子中性微子（LSP），从而可直接探测超对称性破缺尺度与Peccei-Quinn尺度。通过捕获停顿时态并分析其衰变运动学，ILC/CLIC可将引力子质量测量精度达10%，并利用三体衰变的角分布与能量分布区分引力子与轴子LSP。

ABSTRACT

Supersymmetric scenarios with a very weakly interacting lightest superpartner (LSP) - like the gravitino or axino - naturally give rise to a long-lived next-to-LSP (NLSP). If the NLSP is a charged slepton it leaves a very distinct signature in a collider experiment. At the ILC/CLIC it will be possible to capture a significant fraction of the produced charged sleptons and observe their decays. These decays potentially reveal the nature of the LSP and thus provide a unique possibility to measure the properties of a very weakly interacting LSP which otherwise is most likely hidden from any other observation, like direct or indirect dark matter searches. We review the proposals that have been made to measure the LSP properties at the ILC/CLIC and compare its potential to the capability of the LHC.

研究动机与目标

• 研究ILC/CLIC在具有引力子或轴子LSP的超对称模型中测量长寿命带电停顿时态NLSP性质的潜力。
• 将ILC/CLIC对这些情形的灵敏度与LHC进行比较，特别是对长寿命粒子的探测与测量能力。
• 开发捕获与研究停顿时态的实验策略，以提取LSP的质量、寿命与自旋等性质。
• 利用三体衰变中的运动学分布（特别是光子-τ子角分布与能量关联）区分引力子与轴子LSP。
• 通过引力子衰变运动学测量普朗克质量与SUSY破缺尺度，以检验超引力范式。

提出的方法

• 利用停顿时态衰变为LSP的二体衰变运动学，通过公式 $ m_{LSP} = \sqrt{m^2_{\tilde{\tau}_1} + m^2_\tau - 2m_{\tilde{\tau}_1} E_\tau} $，从τ轻子的反冲能量重建LSP质量。
• 引力子衰变宽度通过 $ \Gamma(\tilde{\tau}_1 \to \gamma \tilde{G}) \propto m^5_{\tilde{\tau}_1} / (m^2_e M^2_{\text{Pl}}) $ 计算，其结果与其它SUSY参数无关。
• 对于轴子LSP，衰变宽度为圈图诱导，依赖于Peccei-Quinn尺度 $ f_a $、双线态质量 $ m_{\tilde{B}} $ 与混合角。
• ILC/CLIC对停顿时态质量、寿命与衰变产物的高精度测量，使得可通过 $ \langle F \rangle = \sqrt{3} M_{\text{Pl}} m_{\tilde{G}} $ 确定SUSY破缺尺度。
• 利用 $ x_\gamma = 2E_\gamma / m_{\tilde{\tau}_1} $ 与 $ \cos\theta $ 的三体衰变分布，区分引力子（软且共线的光子）与轴子（背对背且能量较高的光子）LSP。
• 实验技术包括放置主动停止材料或水箱以收集停顿时态，并利用束流极化将停顿时态产额提高近三倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长寿命停顿时态NLSP的基准情形下，ILC/CLIC能否实现对引力子质量的亚10%精度测量？
• RQ2 ILC/CLIC能否利用停顿时态的三体衰变运动学区分引力子与轴子LSP？
• RQ3 ILC/CLIC对SUSY破缺尺度 $ \langle F \rangle $ 的灵敏度如何？能否用于检验超引力范式？
• RQ4 ILC/CLIC在探测与表征长寿命带电粒子方面，与LHC相比有何优势？
• RQ5 停顿时态NLSP的寿命能否以足够精度测量，以探测引力耦合？

主要发现

• 在GDM ζ基准情形（$ m_\tilde{\tau}_1 = 346 \, \text{GeV} $，$ m_\tilde{G} = 100 \, \text{GeV} $）下，ILC/CLIC在800 GeV质心系能量与1000 fb⁻¹亮度下，可将引力子质量测量精度达10%。
• 在GDM η基准情形（$ m_\tilde{\tau}_1 = 327 \, \text{GeV} $，$ m_\tilde{G} = 20 \, \text{GeV} $）下，引力子质量的测量不确定度可与真实值相当，表明测量精度极高。
• 对于两个基准情形，使用非极化束流时，停顿时态质量与寿命的测量精度分别可达0.1%与1-3%。
• 通过束流极化，停顿时态的数量可提高近三倍，显著提升测量精度。
• 在三体衰变中，引力子LSP预期有110 ± 10个事例，轴子LSP预期有165 ± 13个事例（基于10⁴个分析衰变），可通过角分布与能量分布实现清晰区分。
• 在 $ x_\gamma $ 与 $ \cos\theta $ 的三体衰变分布中，显示明显峰形特征：引力子LSP呈现软且共线的光子，轴子LSP呈现背对背且能量较高的光子，通过适当截断可实现清晰分离。