[논문 리뷰] Leaving no stone unturned in the hunt for SUSY naturalness: A Snowmass whitepaper

Howard Baer, V. Barger외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 전자기적 상호작용에 의해 유도되는 자연스러운 초대칭(RNS) 모형에서, 저전기약한 미세조정($\Delta_{\text{EW}} \lesssim 30$) 조건을 만족할 경우 경량 히iggsино($\sim 100-300$ GeV), 압축된 스펙트럼, 그리고 1-5 TeV 범위의 글루아ино를 예측하며, 이는 동일전하 이보손(SSdB) 생성과 다중 레프톤 + 미량 에너지 최종 상태와 같은 특징적인 LHC 신호를 유도한다. 주요 결과는 ILC가 $\sqrt{s} \sim 600$ GeV에서 나머지 자연스러움 매개변수 공간을 완전히 탐색할 수 있으며, 톤 스케일의 WIMP 탐지기들은 축축한 밀도가 감소하는 경우에도 히iggsино 유사 어둠료물질을 $\Omega_{\tilde{h}}h^2 \sim 0.01$ 수준에서 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Imposing electroweak scale naturalness constraints (low Δ_{EW}) on SUSY models leads to mass spectra characterized by light higgsinos ~100-300 GeV, highly mixed top-squarks and gluinos at the 1-5 TeV scale and allows for m_h ~125 GeV. First and second generation squarks can easily live at the 5-20 TeV scale, thus providing at least a partial solution to the SUSY flavor/CP problems. For such models at the LHC, gluino pair production is followed by cascade decays to t- and b-quark rich final states along with multileptons. The reach of LHC14 with 300 fb^{-1} is computed to be around m_{ g} 1.8 TeV. However, the small magnitude of the μ-parameter-- a necessary condition for naturalness-- leads to a unique hadronically quite same-sign diboson (W^\pm W^\pm) signature from wino pair production. In low Δ_{EW} models with unified gaugino masses, this signature yields a somewhat higher reach up to m_{ g} 2.1 TeV. The smallness of |μ| implies that the ILC should be a higgsino factory in addition to a Higgs factory, and a complete search for SUSY naturalness seems possible for \sqrt{s} 600 GeV. Since a thermal under-abundance of higgsino-like WIMP dark matter (DM) is expected, there is ample room for an axion DM contribution. A thorough search for higgsino-like WIMPs can be made by next generation WIMP detectors, such as those with ton-scale noble liquid targets.

연구 동기 및 목표

• 저 $\Delta_{\text{EW}}$ 조건을 만족하는 전자기적으로 유도되는 자연스러운 초대칭(RNS) 모형의 현상학적 신호를 규명하기 위해.
• LHC(14 TeV, 300 fb$^{-1}$)와 ILC가 이러한 모형을 탐색하는 데 얼마나 높은 감도를 가지는지 평가하기 위해.
• RNS 프레임워크 내에서 히iggsино 유사 WIMP과 축축 기여가 어둠료물질 후보로 가능한지 평가하기 위해.
• 직접 탐지 및 향후 충돌기에서의 탐지 가능성에 대해, 압축된 히iggsино 스펙트럼의 탐지 가능성을 결정하기 위해.

제안 방법

• 히iggs 포텐셜의 전자기 최소화를 통해 저 $\Delta_{\text{EW}}$ 조건을 도입하고, $|\mu| \sim 100-300$ GeV 및 $|m_{H_u}^2| \sim 100-300$ GeV를 요구한다.
• NUHM2 모형을 사용하여 $m_0 = 5$ TeV, $\tan\beta = 15$, $A_0 = -1.6m_0$, $m_A = 1$ TeV 조건에서 RNS를 실현한다.
• 글루아ино 쌍 생성($\tilde{g}\tilde{g}$)과 윈오 쌍 생성에서 유래하는 동일전하 이보손(SSdB) 생성을 통해 LHC 탐색 한계를 계산한다.
• ILC에서 $\sqrt{s} = 250$, 500, 1000 GeV에서 히iggsино 쌍 생성에 대한 감도를 평가하며, $\sqrt{s} > 2|\mu|$ 조건에 중점을 둔다.
• 히iggsино 유사 WIMP의 열역학적 잔여 밀도를 평가하고, 축축/WIMP 공붕열 및 사크시온 붕괴에 의한 엔트로피 확산 모델링을 수행한다.
• 지배하지 않는 히iggsино 기여를 고려하기 위해 $\xi = \Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 / 0.12$를 사용하여 직접 탐지 한계를 스케일링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 14 TeV에서 300 fb$^{-1}$의 데이터로 저 $\Delta_{\text{EW}}$ RNS 모형에서 $m_{\tilde{g}} \sim 1.8$ TeV 이하의 글루아ино를 발견할 수 있는가?
• RQ2 윈오 쌍 붕괴에서 기인하는 동일전하 이보손 생성이 RNS 모형에서 경량 히iggsино에 대해 고유한 신호를 제공하는가?
• RQ3 ILC가 $\sqrt{s} \sim 600$ GeV에서 $\Delta_{\text{EW}} < 30$ 조건을 만족하는 나머지 자연스러움 매개변수 공간을 완전히 탐색할 수 있는가?
• RQ4 축축 기여로 인한 잔여 밀도 감소가 있을 경우, 톤 스케일의 희귀액체 탐지기에서 히iggsино 유사 WIMP의 탐지 가능성은 어떠한가?
• RQ5 $f_a \sim 10^{12}-10^{16}$ GeV 범위의 혼합 축축-히iggsино 어둠료물질이 BBN 및 어둠료물질 방사 압력 제약 조건을 만족하면서도 $\Omega_{\text{DM}}h^2 \approx 0.12$를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• LHC14에서 300 fb$^{-1}$의 데이터로 $\tilde{g}\tilde{g}$ 생성을 통해 글루아ино 질량을 $m_{\tilde{g}} \sim 1.8$ TeV까지 탐색할 수 있으며, 게이지 질량 통합 조건 하에서 동일전하 이보손(SSdB) 신호는 탐색 한계를 $m_{\tilde{g}} \sim 2.1$ TeV까지 연장한다.
• ILC가 $\sqrt{s} \sim 600$ GeV에서 $\Delta_{\text{EW}} < 30$ 조건을 만족하는 나머지 매개변수 공간을 완전히 탐색할 수 있으며, 이는 히iggsино를 발견하거나 초대칭 전자약한 자연스러움을 배제할 수 있음을 의미한다.
• 히iggsино 유사 WIMP의 열역학적 잔여 밀도는 $\Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 \sim 0.007-0.01$ 수준이며, 관측된 $\Omega_{\text{DM}}h^2 \approx 0.12$에 비해 크게 낮아 추가 어둠료물질 성분이 필요하다.
• 축축 기여가 $f_a \sim 10^{12}-10^{16}$ GeV 범위에서 히iggsино와 공존할 수 있으며, 사크시온 붕괴에 의한 엔트로피 확산은 잔여 밀도를 감소시키면서도 BBN 및 어둠료물질 방사 압력 제약 조건을 준수할 수 있다.
• 톤 스케일의 희귀액체 탐지기(예: Xe-1-ton)는 직접 탐지 한계를 $\xi = \Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 / 0.12$로 스케일링한 후에도 모델 매개변수 공간을 완전히 탐색할 수 있다.
• 압축된 히iggsино 스펙트럼($\sim$10-20 GeV 질량 갭)은 LHC에서 탐지될 수 없지만, 자연스러움을 위해 필수적이며 향후 충돌기와 직접 탐지 실험에서 탐지 가능하다.