[論文レビュー] Physics Case for the ILC Project: Perspective from Beyond the Standard Model

Howard Baer, M. Berggren+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、国際線形加速器（ILC）が、標準模型を越える物理学を調べる上で不可欠であると主張している。ILCは、圧縮されたスピン対称性破れスペクトル、ダークマターの共崩壊状況、およびリトル・ハグスや双線形R量子数不変性破れといったモデルを調べるための独自の高精度能力を提供する。クリーンな $e^+e^-$ 環境により、モデルに依存しないスパーティクル質量の測定としきい値スキャンが可能となり、自然性のテストやLHCの結果との補完的役割を果たす。

ABSTRACT

The International Linear Collider (ILC) has recently proven its technical maturity with the publication of a Technical Design Report, and there is a strong interest in Japan to host such a machine. We summarize key aspects of the Beyond the Standard Model physics case for the ILC in this contribution to the US High Energy Physics strategy process. On top of the strong guaranteed physics case in the detailed exploration of the recently discovered Higgs boson, the top quark and electroweak precision measurements, the ILC will offer unique opportunities which are complementary to the LHC program of the next decade. Many of these opportunities have connections to the Cosmic and Intensity Frontiers, which we comment on in detail. We illustrate the general picture with examples of how our world could turn out to be and what the ILC would contribute in these cases, with an emphasis on value-added beyond the LHC. These comprise examples from Supersymmetry including light Higgsinos, a comprehensive bottom-up coverage of NLSP-LSP combinations for slepton, squark, chargino and neutralino NLSP, a stau-coannihilation dark matter scenario and bilinear R-parity violation as explanation for neutrino masses and mixing, as well as generic WIMP searches and Little Higgs models as non-SUSY examples.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える新しい物理学を調べる上で、ILCをLHCの重要な補完として確立すること。
• LHCで検出が困難な、NLSPとLSPの間の質量ギャップが小さい状況を、ILCがどのように探査できるかを示すこと。
• クリーンなイベントと偏光を施したビームを用いることで、スパーティクルの性質（量子数や質量）を高精度で測定できるILCの能力を示すこと。
• スピン対称性、リトル・ハグス、双線形R量子数不変性破れといった、主要なBSM理論をテストする上でILCが果たす役割を説明すること。
• LHCで新しい粒子が発見されない場合でも、ILCが弱スケール物理学と自然性を調べる発見的装置として機能し続けることを主張すること。

提案手法

• 200–500 GeV（最大で約1 TeV）の調整可能な中心系エネルギーを用いて、正確な質量測定のためのしきい値スキャンを実施すること。
• 高い偏光を施した電子および陽電子ビームを活用し、新しい粒子のスピンおよび量子数に対する感度を向上させること。
• $e^+e^-$ 衝突環境のクリアさを活かしてバックグラウンドを低減し、崩壊チェーンの高精度再構成を可能にすること。
• 詳細な検出器シミュレーションと現実的なイベント再構成を用いて、ILCがさまざまなBSMモデルに対してどの程度の感度を持つのかを予測すること。
• モデルに依存しない解析を、運動量の端点およびインバリアント質量スペクトルに適用し、特定のモデルを仮定せずにスパーティクル質量を抽出すること。
• チャージリンォ/ニュートラリノ対生成、ヒッグスティノ共崩壊、R量子数不変性破れ信号といった状況において、ILCとLHCの能力を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCの感度が制限される圧縮されたSUSYスペクトルにおける軽量ヒッグスティノを、ILCは検出可能か？
• RQ2 NLSP–LSPの質量ギャップが小さい状況において、ILCはどの程度の精度でスパーティクル質量および量子数を測定できるか？
• RQ3 WIMPダークマターの共崩壊過程（例：$\tilde{\tau}$-共崩壊）を通じて、ILCのダークマター発見可能性はどの程度か？
• RQ4 双線形R量子数不変性破れが、ニュートリノ質量および混合を説明するメカニズムとして、ILCでどの程度テスト可能か？
• RQ5 SUSYにおける電弱ノーカー対生成およびカスケード崩壊を調べる上での、ILCとLHCの補完的役割はいかなるものか？

主な発見

• ILCは、リトル・ハグス理論（LHT）のパラメータ、たとえば質量スケール $f$ やT奇性レプトンヤコビ係数 $\kappa$ を、千分の1レベルの精度で測定可能であり、モデル構造に対する感受性の高いテストを可能にする。
• 100–300 GeVの範囲に位置する軽量ヒッグスティノに関して、ILCのクリーンな環境により、わずかな質量ギャップであっても検出可能であり、ヒッグスティノ工場としての可能性や、SUSY自然性の否定に役立つ可能性を有する。
• $e^+e^-$ 衝突の明確な運動学的性質を活かして、ILCはモデルに依存しないスパーティクル質量測定が可能であり、LHCにおけるQCDバックグラウンドの制限を克服できる。
• 圧縮スペクトル（例：$\tilde{\tau}$-共崩壊）の状況では、LHCが新しい粒子を発見できなかった場合でも、ILCは依然としてダークマターのパラメータ空間を探索可能である。
• ILCは、LHCでは $WW$ や $t\bar{t}$ バックグラウンドに埋もれてしまう、チャージリンォ対生成や混合ニュートラリノ生成といった、補完的なプロセスにアクセス可能である。
• LHCで新しい物理学の発見がなかったとしても、ILCは弱スケール物理学、特に自然性と高精度電弱測定のテストのための発見的装置として機能し続ける。