[論文レビュー] Naturalness and light higgsinos: A powerful reason to build the ILC

Howard Baer, H. Fujii+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、自然な超対称性が、小スプリングの持つ軽いヒッグスイノ（100–300 GeV）を予測すると主張している。このヒッグスイノは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）ではほとんど見えないが、提案中の国際線形衝突型加速器（ILC）で検出可能である。ILCにおけるヒッグスイノ対生成および崩壊の精密測定を用いて、本研究はILCが軽いヒッグスイノを発見または除外でき、主要なSUSYパラメータを抽出できることを示している。これにより、自然性および大統一理論（GUT）スケールの物理を直接的に探査できる。

ABSTRACT

A core prediction of natural Supersymmetry is the existence of four light higgsinos not too far above the mass of the $Z$ boson. The small mass splittings amongst the higgsinos -- typically 5-20\,GeV -- imply very little visible energy release from decays of heavier higgsinos. In particular, if other SUSY particles are quite heavy, as can be the case in SUSY with radiatively-driven naturalness, the higgsinos are extremely hard to detect at hadron colliders. The clean environment of electron-positron colliders with $\sqrt{s} > 2m_{\mathrm{higgsino}}$, however, would allow for a decisive search for the required light higgsinos. Thus, $e^+e^-$ colliders should either discover or exclude natural SUSY. We present a detailed study of higgsino pair production at the proposed International Linear $e^+e^-$ Collider which is under consideration for construction in Japan. A variety of precision measurements should allow for extraction of underlying parameters and provide a window onto physics at the grand unified scale.

研究の動機と目的

• 自然な超対称性が、小スプリングを持つ軽いヒッグスイノ（100–300 GeV）を予測することを確立すること。このヒッグスイノは、LHCではほとんど見えない。
• √s > 2mhiggsino を満たすILCのクリアな環境が、軽いヒッグスイノの決定的発見または除外を可能にすることを示すこと。
• ILCにおけるヒッグスイノ対生成および崩壊の精密測定により、高い精度で基礎となるSUSYパラメータを抽出できることを示すこと。
• ILCとLHCのデータを統合して、GUTスケールにおけるゲージノ質量の統一仮説を検証すること。
• ILCが弱スケールにおける自然性および新しい物理を直接探査できる独自の能力に基づき、ILC建設の強力な動機付けを提供すること。

提案手法

• ビームストラールング、初期状態放射（ISR）、ハドロン化をPYTHIA 6.422を用いてモデル化したWHIZARDイベントジェネレータを用いて、ILCにおけるヒッグスイノ対生成をシミュレートした。
• ILDコンセプトに基づく完全なGEANT4ベースの検出器シミュレーションを用いて、二レプトン最終状態の信号およびバックグラウンド事象をモデル化した。
• 最終状態の電子およびミュオンのインバリアント質量およびエネルギー分布を用いて、500 fb⁻¹の統計量でヒッグスイノ質量を約1%の精度で抽出した。
• 偏光付きe⁺e⁻ビーム（P(e⁻,e⁺) = +80%/-30% および -80%/+30%）を活用し、偏光依存の断面積を用いてヒッグスイノ的チャージリンとウィノ的チャージリンを区別した。
• ILC測定結果とLHCで得られる10%のグルーギノ質量測定結果を統合し、SUSYパラメータのグローバルフィットをFITTINOソフトウェアで行った。
• 2ループRGE（SPHENOを介して）を用いて、フィットされた弱スケールパラメータをGUTスケールに発展させ、ゲージノ質量の統一性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCでは、圧縮スペクトルのためほとんど見えないか、極めて弱く見える軽いヒッグスイノをILCが検出可能か？
• RQ2 ILCはどの程度の高精度でヒッグスイノ質量および生成断面積を測定可能か？
• RQ3 ヒッグスイノ生成断面積の偏光依存性は、ヒッグスイノ的状態とウィノ的状態を区別できるか？
• RQ4 ILCとLHCのデータを統合することで、GUTスケールにおけるゲージノ質量の統一仮説を検証可能か？
• RQ5 LHCでグルーギノが検出されない場合、ILCはグルーギノ質量をどの程度の予測力で提供できるか？

主な発見

• ILCにおけるヒッグスイノ対生成断面積は、運動学的閾値をわずかに超える領域で10²–10³ fbの範囲にあり、高精度測定が可能である。
• √s = 500 GeVで500 fb⁻¹の統計量を用いた場合、二レプトンのインバリアント質量およびエネルギー分布に基づき、ヒッグスイノ質量を約1%の精度で抽出可能である。
• 偏光依存断面積を用いることで、ヒッグスイノの性質を3%の精度で測定でき、ウィノ的状態と区別可能である。
• ILCはヒッグス粒子のブランチ比を1%未満の精度で決定でき、モデルに依存しない結合定数測定が可能である。
• 弱スケールにおけるフィットされたSUSYパラメータ（µ, tanβ, M₁, M₂, M₃）は、GUTスケールに2ループRGEを用いて発展可能であり、NUHM2ベンチマークで統一性の整合性が確認された。
• グルーギノがLHCで観測されなくても、ILCはM₁とM₂の統一スケールを検証可能であり、GUTスケールで統一が成立するならばM₃を予測可能である。