[論文レビュー] Simplified SUSY at the ILC

M. Berggren|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）における超対称性（SUSY）のモデルに依存しない探索戦略を提案する。全般的な次に軽い超対称粒子（NLSP）を、NLSP–LSP質量平面全体にわたって体系的に探索する。すべてのSUSY粒子が既知のゲージ相互作用を通じて標準模型（SM）と結合することを活用し、生成断面積と崩壊トポロジーを正確に予測できる。これにより、抜け道のないSUSYパラメータ空間の完全カバーが可能となり、特に$τ$ニュートリノのNLSPのような困難なケースですら、運動的限界より20 GeV未満まで発見または除外が可能となる。

ABSTRACT

At the ILC, one has the possibility to search for SUSY in an model-independent way: The corner-stone of SUSY is that sparticles couple as particles. This is independent of the mechanism responsible for SUSY breaking. Any model will have one Lightest SUSY Particle (LSP), and one Next to Lightest SUSY Particle (NLSP). In models with conserved R-parity, the NLSP must decay solely to the LSP and the SM partner of the NLSP. Therefore, studying NLSP production and decay can be regarded as a "simplified model without simplification": Any SUSY model will have such a process. The NLSP could be any sparticle: a slepton, an electroweak-ino, or even a squark. However, since there are only a finite number of sparticles, one can systematically search for signals of all possible NLSP:s. This way, the entire space of models that have a kinematicall y reachable NLSP can be covered. For any NLSP, the "worst case" can be determined, since the SUSY principle allows to calculate the cross-section once the NLSP nature and mass are given. The region in the LSP-NLSP mass-plane where the "worst case" could be discovered or excluded experimentally can be found by estimating background and efficiency at each point in the plane. From experience at LEP, it is expected that the lower signal-to background ratio will indeed be found for models with conserved R-parity. In this document, we show that at the ILC, such a program is possible, as it was at LEP. No loop-holes are left, even for difficult or non-standard cases: whatever the NLSP is it will be detectable.

研究の動機と目的

• すべての可能なNLSPを標的とすることで、ILCにおけるSUSY発見のモデルに依存しない戦略を確立すること。
• 最小限のモデルやR数不保存型のSUSYモデルを含む、すべてのSUSYモデルをカバーするが、実験的抜け道のない戦略を実現すること。
• ILCの高精度環境が、右回りのニュートリノNLSPのような困難なケースですら、NLSP–LSP質量平面を完全にカバーできることを示すこと。
• 右回りのミュオンニュートリノNLSPおよび$τ$ニュートリノNLSPの2つのベンチマーク事例を用いた詳細なシミュレーション研究を通じて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• スパルターがすべて標準模型（SM）と既知のゲージ相互作用（Zおよび光子）を通じて結合するというSUSYの基本的原則に従い、運動論的性質のみから断面積を正確に予測できる。
• NLSP質量$M_{\text{NLSP}}$–LSP質量$M_{\text{LSP}}$平面全体にわたって、全可能なNLSPタイプ（スlepton、ウィノ、ヒッグスイノ、スクォーク）を体系的にスキャンする。
• NLSPが唯一そのSMパートナーやLSPに崩壊することに着目し、明確なトポロジー（SM粒子＋欠落エネルギー）を実現する。
• 各NLSPタイプに特化した分析手法を適用し、特に$τ$レプトンの識別や$τ$ニュートリノNLSPの状況でのバックグラウンド抑制のための特別なカットを導入する。
• シミュレーションを用いて信号効率とバックグラウンド抑制率を推定し、代表的なベンチマークとして$\tilde{\mu}_R$および$\tilde{\tau}_1$NLSPに焦点を当てる。
• 各点でのバックグラウンド推定と検出器効率を統合し、質量平面における除外領域および発見領域を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCにおいて、すべての可能なNLSPをカバーするが抜け道のないモデルに依存しないSUSY探索戦略を実装可能か？
• RQ2 ILCの高精度環境が、非最小的または弱い結合を持つNLSPに対しても、NLSP–LSP質量平面を完全にカバーできる仕組みは何か？
• RQ3 $\tilde{\tau}_1$のような困難なNLSPの発見および除外限界は何か？ また、$\tilde{\mu}_R$のような単純なケースと比較するとどうなるか？
• RQ4 同じ分析フレームワークを、粒子識別およびバックグラウンド抑制のわずかな調整のみで、さまざまなNLSPタイプに一貫して適用可能か？
• RQ5 ILCが運動的エッジを再構築し、バックグラウンドを効果的に抑制できる能力が、SUSYパラメータ空間の完全カバーをどの程度保証するか？

主な発見

• すべての可能なNLSPに対して、断面積と崩壊トポロジーのモデルに依存しない正確な予測が可能であるため、ILCはNLSP–LSP質量平面を抜け道なく完全にカバーできる。
• 右回りのミュオンニュートリノNLSPでは、500 GeVの中心系エネルギー下で、運動的限界（$\sqrt{s}/2$）より2–3 GeV未満まで発見または除外が可能と予想される。
• $τ$ニュートリノNLSPでは、低い効率と高いバックグラウンドにもかかわらず、運動的限界より20 GeV未満まで発見が可能であり、10 GeV未満までが除外可能である。
• $\tilde{\tau}_1$の分析には、非対称な$τ$崩壊に起因する$\gamma\gamma$に類似たバックグラウンドを抑制する追加のカットが必要であるが、依然として頑健で効果的である。
• 質量平面全体にわたって、2種類の異なる分析手順のみで十分である：$\Delta M > 10$ GeV用と$\Delta M < 10$ GeV用。これにより、全体の戦略が簡素化される。
• 非最小的モデル（例：nMSSMやGMSB）においても、NLSPまたはLSPがシングレオンである場合でも、NLSPがLSPおよびそのSMパートナーに崩壊する限り、この手法は頑健に機能する。