[論文レビュー] SUSY model and dark matter determination in the compressed-spectrum region at the ILC

M. Berggren|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、国際線形加速器（ILC）が、質量スプリングが小さいコンプレッセッドSUSYスペクトルにおいて、超対称（SUSY）粒子の質量および混合角を精密に測定できることを示している。特に、ストーオ（˜τ₁）およびニュートラリノ（˜χ⁰₁）の測定において、千分の一レベルの質量分解能とパーセントレベルの混合精度を達成する。これらの測定により、プランク宇宙論的データと同等の精度で、暗黒物質の残存密度を直接決定可能であり、軽い超対称粒子（LSP）が主要な暗黒物質成分であるかどうかを確認できる。

ABSTRACT

It is an appealing possibility that the observed dark matter density in the universe can be fully explained by SUSY. The current experimental knowledge indicates that this possibility strongly favors a co-annihilation scenario. In such scenarios, the mass difference between the next-to-lightest SUSY particle (the NLSP) and the lightest one (the LSP) is quite small, which assures that the annihilation cross-section is sufficient not to predict a too large abundance of dark matter. However, the small mass difference also means that observing SUSY becomes hard at hadron colliders, where the observation hinges on the tell-tale signature of missing transverse energy: if the mass difference NLSP-to-LSP is small, only little energy is carried away by the invisible LSP. This is also true even if several other SUSY particles are within the kinematic reach, since these states would to a large extent decay via cascades ending with an NLSP to LSP decay. A lepton collider does not have this problem. The clean environment and known initial state at such machines assures that SUSY can be detected even if the mass difference is very small, provided the center-of-mass energy is sufficiently high. We present prospects for observation and precision characterization of SUSY with small mass differences at the ILC, based on detailed simulations of the ILD detector concept. The resulting possibility to predict the dark matter relic density is evaluated and compared to the precision obtained from the Planck mission. Taking a specific model as an example, we also discuss the synergies from combining ILC and HL-LHC results.

研究の動機と目的

• ILCで質量スプリングが小さい超対称粒子を検出・精密測定することが可能かどうかを評価すること。
• ILCがプランク衛星の測定精度と同等の精度で暗黒物質の残存密度を決定できるかどうかを評価すること。
• 質量スプリングが小さい共崩壊駆動型SUSYモデルの同定および特徴付けにおいて、ILCとHL-LHCの結果の相乗効果を調査すること。
• プランクが決定した暗黒物質密度の2%の不確実性に一致させるために必要な質量および混合パラメータの実験的精度を確立すること。

提案手法

• ILCにおけるILD検出器概念の詳細なシミュレーションを用い、偏光をもつビーム（P(e⁻,e⁺) = -80%, +30%）を用いた√s = 500 GeVのe⁺e⁻衝突をモデル化した。
• レプトンおよびτジェットのエネルギースペクトルの運動学的エンドポイントフィッティングを適用し、LSP（˜χ⁰₁）およびNLSP（˜eR, ˜µR, ˜τ₁）の質量を高精度で抽出した。
• 『タグアンドプローブ』手法、ビーム偏光依存性、および可視エネルギー、欠落横動量、イベントトポロジーに対するカットを用いたバックグラウンド抑制を含む、高度なイベント選別技術を実装した。
• 尤度に基づくγγバックグラウンド排斥と、中央の欠落運動量の要件を適用し、˜τ₁最終状態における信号純度を向上させた。
• relic densityの予測をmicrOMEGAsを用いてシミュレートし、プランクのΩCDM = 0.1197 ± 0.0022と比較して、必要な測定精度を定義した。
• e⁺e⁻、μ⁺μ⁻、τ⁺τ⁻の複数の最終状態を組み合わせることで、LSPおよびNLSPの質量および混合パラメータの統計的精度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、コンプレッセッドスペクトルにおいて、軽い超対称粒子（LSP）および次に軽いSUSY粒子（NLSP）の質量を千分の一レベルの分解能で達成できるか？
• RQ2 ILCは、観測された暗黒物質の残存密度を再現できるほど、LSPおよびNLSPの混合パラメータを十分な精度で測定できるか？
• RQ3 ILCによるLSPおよびNLSPの質量および混合パラメータの精密測定は、プランクが決定した暗黒物質密度の2%の不確実性とどのように比較できるか？
• RQ4 質量スプリングが小さい共崩壊駆動型SUSYモデルの同定および特徴付けにおいて、ILCとHL-LHCの相乗効果はいかなるものか？
• RQ5 ILCは、質量および混合角の精密測定に基づいて、異なる共崩壊状況（例：˜τ₁、˜t₁、˜χ±₁）を区別できるか？

主な発見

• LSP質量（˜χ⁰₁）はσM˜χ⁰₁ = 147 MeVの精度で測定され、LSP質量の1.54 × 10⁻³（約1,540分の1）に相当する、千分の一を超える精度であった。
• ストーオ質量（˜τ₁）は、LSP質量の不確実性が100 MeVであると仮定した場合、200 MeVの精度で決定され、千分の一をわずかに上回る分解能を達成した。
• 電子・電子（˜eR）およびミューオン・電子（˜µR）最終状態では、LSPおよびNLSP質量の測定が一貫しており、それぞれ˜eRでは0.16 GeVおよび0.21 GeV、˜µRでは0.38 GeVおよび0.51 GeVの不確実性を示した。
• ˜τ₁対生成の選別効率は、可視エネルギー（<120 GeV）、欠落質量（>250 GeV）、およびイベントトポロジーに対する厳密なカットを含む、強力なバックグラウンド抑制の後で17%であった。
• τジェットエネルギースペクトルのエンドポイントはEendpoint = 44.49+0.11−0.09 GeVで測定され、˜τ₁質量の不確実性が200 MeVにまで制限された。
• 研究では、混合パラメータ（例：˜τ混合角、LSPバイノン性）がパーセントレベルの精度で測定可能であり、プランクが決定した暗黒物質残存密度の2%の不確実性を満たすのに十分であると示唆している。