[논문 리뷰] Prospects for constrained supersymmetry at $\sqrt{s}=33$ TeV and $\sqrt{s}=100$ TeV proton-proton super-colliders

Andrew Fowlie, M. Raidal|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC, LUX, Planck의 현재 실험 데이터를 바탕으로 향후 양성자-양성자 충돌기인 33 TeV HE-LHC와 100 TeV VLHC에서 제약을 받는 최소 초대칭 표준모형(CMSSM)을 발견할 확률을 베이지안 통계를 사용해 평가한다. 연구 결과, LHC가 300 fb⁻¹의 데이터를 확보할 경우 발견 가능성이 15–75%이지만, 만약 모델이 올바르다면 VLHC는 물리적 제약 조건(힉스 보손 질량과 암흑물질 잔류 밀도)을 고려할 때 반드시 CMSSM을 발견할 수 있다.

ABSTRACT

Discussions are underway for a high-energy proton-proton collider. Two preliminary ideas are the $\sqrt{s}=33$ TeV HE-LHC and the $\sqrt{s}=100$ TeV VLHC. With Bayesian statistics, we calculate the probabilities that the LHC, HE-LHC and VLHC discover SUSY in the future, assuming that nature is described by the CMSSM and given the experimental data from the LHC, LUX and Planck. We find that the LHC with $300$/fb at $\sqrt{s}=14$ TeV has a $15$-$75%$ probability of discovering SUSY. Should that run fail to discover SUSY, the probability of discovering SUSY with $3000$/fb is merely $1$-$10%$. Were SUSY to remain undetected at the LHC, the HE-LHC would have a $35$-$85%$ probability of discovering SUSY with $3000$/fb. The VLHC, on the other hand, ought to be definitive; the probability of it discovering SUSY, assuming that the CMSSM is the correct model, is $100%$.

연구 동기 및 목표

• 베이지안 추론을 사용하여 현재 실험 데이터를 바탕으로 향후 고에너지 충돌기에서 CMSSM을 발견할 확률을 정량화하는 것.
• LHC, LUX, Planck의 현재 실험 데이터가 초대칭 발견 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• LHC가 초대칭을 발견하지 못할 경우, HE-LHC 또는 VLHC가 CMSSM을 확실히 검증할 수 있는지 판단하는 것.
• 다양한 사전 분포 가정과 충돌기 성능 불확실성 하에서 결과의 강인성을 평가하는 것.

제안 방법

• LHC, LUX, Planck의 실험 데이터를 바탕으로 CMSSM 매개변수 공간에 대한 사후 확률 분포를 계산하기 위해 베이지안 통계를 적용한다.
• 우도 함수는 직접 및 간접적인 초대칭 탐색, 힉스 보손 질량 측정, 암흑물질 잔류 밀도 제약 조건에서 유도된다.
• 부드러운 붕괴 질량에 대한 사전 분포로 로그형과 선형형을 모두 사용하여 민감도를 테스트한다.
• 각 충돌기 에너지와 루미너스에서의 발견 가능성을 계산하기 위해 매개변수 공간에 대해 사후 분포를 적분한다.
• 발견는 관측된 힉스 보손 질량과 암흑물질 잔류 밀도와 일치하는 매개변수 영역을 탐색할 수 있는 능력으로 정의된다.
• 사전 분포의 범위 민감도를 검증하기 위해 m₀와 m₁/₂의 한계를 변화시켜 보았으며, 주요 결과의 강인성을 확인했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 데이터를 바탕으로 √s = 14 TeV에서 300 fb⁻¹의 LHC가 CMSSM을 발견할 확률은 얼마인가?
• RQ2 LHC가 초대칭을 발견하지 못할 경우, √s = 33 TeV에서 3000 fb⁻¹의 HE-LHC에서 발견 가능성이 어떻게 변화하는가?
• RQ3 모델이 올바르다면 √s = 100 TeV에서 3000 fb⁻¹의 VLHC가 CMSSM을 발견할 확률은 얼마인가?
• RQ4 CMSSM의 부드러운 붕괴 질량에 대한 사전 분포 선택이 이러한 확률에 얼마나 민감한가?
• RQ5 힉스 보손 질량과 암흑물질 잔류 밀도의 제약 조건이 향후 충돌기의 발견 가능성을 얼마나 결정짓는가?

주요 결과

• LHC가 √s = 14 TeV에서 300 fb⁻¹의 데이터를 확보할 경우, 사전 분포의 가정에 따라 CMSSM 발견 가능성이 15–75%이다.
• LHC가 초대칭을 발견하지 못할 경우, HE-LHC가 3000 fb⁻¹로 운용될 경우 발견 가능성이 단지 1–10%로 감소한다.
• LHC가 명확한 결과를 내놓지 못할 경우, HE-LHC는 3000 fb⁻¹로 운용될 경우 35–85%의 확률로 CMSSM을 발견할 수 있다.
• VLHC는 3000 fb⁻¹로 운용될 경우, 모델이 올바르다면 CMSSM을 100%의 확률로 발견할 수 있다.
• VLHC의 이 확실한 발견 가능성은 다양한 사전 분포 선택에 대해 강인하며, m₀와 m₁/₂의 특정 값과는 무관하다.
• 결과는 주로 힉스 보손 질량(약 125 GeV)과 관측된 암흑물질 잔류 밀도라는 물리적 제약 조건에 의해 주도되며, 이는 CMSSM에서 반드시 충족되어야 한다.