[논문 리뷰] Interplay of Higgs and Sparticle Masses in the CMSSM with updated SUSY constraints

A. Belyaev, Shahida Dar외 3명|arXiv (Cornell University)|2007. 12. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 106인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 최신 실험적 제약 조건, 즉 하이픈 질량의 하한(170.9 GeV), LEP2의 채지노 제약 조건, 희귀 B 붕괴, WMAP 암흑물질 잔류 밀도를 포함하여 제약 조건이 업데이트된 Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model(CMSSM)에서 힉스 보존과 스플래터 질량 간의 상관관계를 조사한다. 정밀한 LHC에서의 힉스 질량 측정과 직접적 암흑물질 탐지가 함께 사용될 경우, 특히 삼중항 상호작용 계수 $A_0$에 대한 제약 조건을 강화하고 포커스 포인트 및 힉스 보존/펌널 영역에서의 딜레마를 10% 미만의 정확도로 해결할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We estimate the bounds on Higgs and sparticle masses and discuss their correlations in the constrained minimal supersymmetric standard model (CMSSM). In our analysis we have applied the present constraints from collider and low energy experiments, as well as the experimental bound on cold dark matter from WMAP. For a given lightest Higgs boson mass, which is expected to be measured with good precision at the LHC, we find important correlations between the Higgs and sparticle masses which allows one to delineate the MSSM model parameters and particle spectra. We have also demonstrated an important complementarity between the LHC and direct dark matter detection experiments emphasizing that by including the experimental input both from collider physics and from dark matter detection experiments, one would significantly improve the measurement of the SUSY spectrum and the underlying parameter space.

연구 동기 및 목표

• 170.9 GeV로 업데이트된 최신 탑 쿼크 질량을 사용하여 CMSSM 매개변수 공간을 재평가한다.
• LEP2, 희귀 B 붕괴 등의 입자물리 실험과 저에너지 실험에서의 최신 제약 조건을 통합한다.
• WMAP의 냉각 암흑물질 잔류 밀도 제약 조건을 사용하여 CMSSM 매개변수 공간을 제약한다.
• LHC 및 직접 탐지 실험에서 탐지 가능한 경량 힉스 보존 질량($m_h$)과 스플래터 질량 간의 강력한 상관관계를 규명한다.
• LHC와 직접 암흑물질 탐지 간의 상호보완성이 초래하는 CMSSM 매개변수 공간의 해소 및 $A_0$의 결정에 기여함을 보여준다.

제안 방법

• 모든 매개변수 공간에 대한 글로벌 스캔을 수행하며, $m_0 \lesssim 5$ TeV, $m_{1/2} \leq 2$ TeV, $|A_0| \leq 2$ TeV, $\tan\beta = 5, 10, 50, 53$를 고려한다.
• 반사 전자약한 대칭 붕괴 조건을 적용하여 $\Delta a_\mu$ 기반으로 $\mu$와 $\mu > 0$를 결정한다.
• LEP2 채지노 탐지, 희귀 B 붕괴(예: $b \to s \gamma$), WMAP 냉각 암흑물질 잔류 밀도 제약 조건을 적용한다.
• 페인만 도형 계산 및 스펙트럼 생성기(예: SOFTSUSY)를 사용하여 $m_h$, 스플래터 질량, 중성미온-핵자 산란 횡단면을 계산한다.
• 매개변수 공간 전역에서 $m_h$, $m_A$, $m_{\tilde{g}}$, $m_{\tilde{Z}_1}$, $A_0$ 간의 상관관계를 분석한다.
• 직접 탐지 실험의 예측 감도(예: CDMS2, SuperCDMS, XENON-1 ton)를 LHC의 힉스 질량 측정과 비교하여 상호보완성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 제약 조건, 특히 하한이 170.9 GeV인 탑 쿼크 질량이 허용 가능한 CMSSM 매개변수 공간과 힉스 질량 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CMSSM에서 경량 힉스 보존 질량($m_h$)과 스플래터 질량(예: $m_{\tilde{g}}$, $m_{\tilde{Z}_1}$) 간의 핵심 상관관계는 무엇인가?
• RQ3 LHC의 힉스 질량 측정과 직접 암흑물질 탐지의 조합이 포커스 포인트와 힉스 보존/펌널 영역 간의 딜레마를 어떻게 해소할 수 있는가?
• RQ4 SuperCDMS 및 XENON-1 ton과 같은 직접 탐지 실험은 $A_0$에 의해 유도되는 다양한 공붕괴 패tern을 어느 정도로 구분할 수 있는가?
• RQ5 이론적 불확도가 $m_h$에 대해 1 GeV일 경우, LHC와 직접 탐지 데이터의 조합을 통해 삼중항 상호작용 계수 $A_0$는 얼마나 정확하게 결정될 수 있는가?

주요 결과

• 하한이 170.9 GeV인 탑 쿼크 질량으로 인해, $m_0$와 $|A_0|$가 각각 5 TeV와 2 TeV일지라도 경량 힉스 보존 질량은 122–123 GeV 이하로 제한된다.
• 스플래터 질량(예: $m_{\tilde{g}}$, $m_{\tilde{Z}_1}$)과의 강력한 상관관계로 인해 매개변수 공간 내에서 좁은 밴드가 형성되며, $m_h$가 1% 정확도로 측정될 경우 초과대칭 스펙트럼을 정밀하게 예측할 수 있다.
• $m_h$–$m_A$ 및 $m_h$–$m_{\tilde{g}}$ 상관관계는 LHC 데이터와 함께 사용될 경우 $A_0$를 10% 미만의 정확도로 결정할 수 있다.
• SuperCDMS 및 XENON-1 ton과 같은 직접 탐지 실험은 포커스 포인트 및 힉스 보존/펌널 영역를 식별하여 비-HB/FP 밴드와 구분할 수 있다.
• Stage-2(예: SuperCDMS) 또는 Stage-3(예: XENON-1 ton) 탐지기에서 양성 신호가 관측될 경우 중성미온이 HB/FP 영역에 존재함을 확인하고 $m_{\tilde{Z}_1}$–$A_0$ 상관관계를 통해 $A_0$를 추출할 수 있다.
• LHC와 직접 탐지 데이터의 조합은 초과대칭 스펙트럼 및 기초 CMSSM 매개변수, 특히 $A_0$의 결정에 있어 강력한 상호보완성을 제공하며, 크게 향상된 정확도를 이룬다.