[論文レビュー] TASI 2008 lectures on Collider Signals II: E_T^missing signatures and the dark matter connection

Howard Baer|ArXiv.org|Jan 29, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における欠落横断的エネルギー（$ otﻮ_T$）のシグネチャーを、特に超対称性（SUSY）、T対称性を有する小さなヒッグスモデル（LHT）、およびユニバーサル追加次元（UED）を含む新しい物理の探査手段として包括的に分析している。この分析では、リリック密度制約を通じて、これらのシグネチャーと暗黒物質（DM）を結びつける。Yukawa統一SUSYにおいて、axino/axion DMは観測されたリリック密度を自然に達成でき、中性子の過剰生成問題を解決する。また、LHCにおけるマルチミューオンおよびジェット最終状態を伴う検出可能な$ otﻮ_T$シグネチャーを予測している。

ABSTRACT

These lectures give an overview of aspects of missing E_T signatures from new physics at the LHC, along with their important connection to dark matter physics. Mostly, I will concentrate on supersymmetric (SUSY) sources of missing E_T, but will also mention Little Higgs models with T-parity (LHT) and universal extra dimensions (UED) models with KK-parity. Lecture 1 covers SUSY basics, model building and spectra computation. Lecture 2 addresses sparticle production and decay mechanisms at hadron colliders and event generation. Lecture 3 covers SUSY signatures at LHC, along with LHT and UED signatures for comparison. In Lecture 4, I address the dark matter connection, and how direct and indirect dark matter searches, along with LHC collider searches, may allow us to both discover and characterize dark matter in the next several years. Finally, the interesting scenario of Yukawa-unified SUSY is examined; this case works best if the dark matter turns out to be a mixture of axion/axino states, rather than neutralinos.

研究の動機と目的

• LHCにおける欠落横断的エネルギー（$\not\!E_T$）シグネチャーを、特に超対称性（SUSY）モデルにおける暗黒物質（DM）物理学に結びつけること。
• 中性子が観測されたDM密度と比較して過剰に生成されるSUSYの宇宙論的リリック密度問題に対処すること。
• Yukawa統一SUSYの状況において、中性子の過剰生成問題を解消する代替DM候補（axinoとaxion）を検討すること。
• SUSY、LHT、UEDモデル間のコライダー・シグネチャーを比較し、LHCにおける$\not\!E_T$豊富な最終状態に特に注目すること。
• もしTeVスケールで新しい物理が発見された場合、LHC、直接的および間接的DM探索が併せてDMの性質を特徴づける可能性を示すこと。

提案手法

• ハドロン衝突型加速器におけるスパーティクル生成および崩壊チェーンを計算するために、有効場理論およびR-パリティ保存SUSYモデルを用いる。
• 中性子の豊度を制約するため、ボルツマン方程式を用いたリリック密度計算を適用し、WMAP5からの$\Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 \approx 0.11$を用いる。
• 中性子の遅い崩壊（$\widetilde{Z}_1 \to \tilde{a} + \gamma$）による軸子および軸粒子DMを導入し、リリック密度を$10^{-2}$から$10^{-5}$の要因で低減することで、中性子の過剰生成問題を解決する。
• グルーギノ対生成（$\sigma \sim 10^5$ fb）と、$b\bar{b}\widetilde{Z}_2$、$b\bar{b}\widetilde{Z}_1$、$t\bar{b}\widetilde{W}_1$最終状態への崩壊を分析する。
• 再熱温度$T_R \lesssim 10^9$ GeVを満たす場合に限り、Yukawa統一SUSYにおける重力スフィアDMが成立することを示す。
• $f_a \gtrsim 10^{12}$ GeVおよび$m_{16} \gtrsim 10$ TeVを満たす混合軸子/axino DMシナリオを評価し、宇宙論的およびコライダー制約を満たすことを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける欠落横断的エネルギー（$\not\!E_T$）は、標準模型を超える新しい物理のシグネチャーとしてどのように機能するか？
• RQ2 最小SUSYモデルにおける中性子は、観測された暗黒物質リリック密度と比較してなぜ過剰に生成されるのか？そして、この問題はどのように解決できるか？
• RQ3 Yukawa統一SUSYにおける中性子リリック密度問題の解決に、axinoとaxionはどのような役割を果たすか？
• RQ4 Yukawa統一SUSYにおける軽いグルーギノおよびチャージンォのコライダー・シグネチャー（特にマルチミューオンおよびジェット最終状態）は予想されるか？
• RQ5 もしTeVスケールで新しい物理が発見された場合、LHC、直接的および間接的DM探索の組み合わせによって、DMの性質を一意に特徴づけることができるか？

主な発見

• 最小SUSYモデルにおける中性子リリック密度は、観測値と比較して$10^2$から$10^5$倍も大きい。これは宇宙論的観点から根本的な矛盾を示している。
• axinoおよびaxion DMは、中性子の遅い崩壊によるリリック密度の低減（$10^{-2}$から$10^{-5}$の要因）によって、この過剰生成問題を解決できる。
• Yukawa統一SUSYにおいて、グルーギノ質量が$350-500$ GeVで、軽いチャージンォ（$100-160$ GeV）の場合、グルーギノ対生成断面積は$\sigma \sim 10^5$ fbとなる。
• マルチミューオンおよびジェット最終状態は、初期LHCデータにおいて顕著に現れるものと予想される。これは$\tilde{g} \to b\bar{b}\widetilde{Z}_1$および$\tilde{g} \to t\bar{b}\widetilde{W}_1$の崩壊による。
• Yukawa統一SUSYにおける重力スフィアDMは、再熱温度$T_R \lesssim 10^9$ GeVを満たす場合にのみ成立する。そうでなければビッグバン核合成が破壊される。
• 混合軸子/axino DMシナリオ（$f_a \gtrsim 10^{12}$ GeVおよび$m_{16} \gtrsim 10$ TeV）は、宇宙論的観測および非熱的レプトゲネシスのようなバリオゲネシス機構と整合的である。