[论文解读] A first evidence of the CMSSM is appearing soon

Yasufumi Konishi, Shingo Ohta+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出，约束性最小超对称标准模型（CMSSM）正临近实验验证，因其参数空间在符合125 GeV希格斯玻色子、观测到的暗物质丰度以及锂-7问题解决的前提下，预测出较重的超对称谱。该模型的共湮灭区域——具有近乎简并的超粒子τ子和中性子——导致寿命较长的超粒子τ子，从而抑制锂-7丰度；同时，预计在14 TeV LHC运行中将探测到数百至数千个寿命较长的超粒子τ子及重的胶微子/夸克，使超对称现象的发现迫在眉睫。

ABSTRACT

We explore the coannihilation region of the constrained minimal supersymmetric standard model (CMSSM) being consistent with current experimental/observational results. The requirements from the experimental/observational results are the 125GeV Higgs mass and the relic abundances of both the dark matter and light elements, especially the lithium-7. We put these requirements on the caluculated values, and thus we obtain allowed region. Then we give predictions to the mass spectra of the SUSY particles, the anomalous magnetic moment of muon, branching fractions of the B-meson rare decays, the direct detection of the neutralino dark matter, and the number of SUSY particles produced in 14TeV run at the LHC experiment. Comparing these predictions with current bounds, we show the feasibility of the test for this scenario in near future experiment.

研究动机与目标

• 确定与125 GeV希格斯玻色子质量、观测到的暗物质丰度以及成功的大爆炸核合成一致的CMSSM参数空间。
• 通过要求寿命较长的超粒子τ子（次轻量级超对称粒子，NLSP）与中性子LSP质量简并，解决锂-7问题。
• 预测在即将开展的14 TeV LHC运行中可观测的信号，包括寿命较长的超粒子τ子信号和重的超粒子质量。
• 在当前直接探测、稀有B介子衰变和μ子反常磁矩的实验限制下，检验CMSSM框架的可行性。

提出的方法

• 作者施加了125 GeV希格斯玻色子质量、中性子丰度和锂-7丰度的约束，以界定CMSSM参数的允许区域。
• 要求超粒子τ子与中性子的质量差≤0.1 GeV，以确保超粒子τ子寿命较长，并要求产额>10⁻¹³以充分抑制锂-7丰度。
• 基于费曼图的计算方法，研究了超粒子τ子诱导的核合成效应，模拟了寿命较长的超粒子τ子如何改变轻元素的丰度。
• 在这些约束下，对CMSSM参数（m₀, M₁/₂, A₀, tanβ, sign(μ)）进行全局拟合，推导出A₀与m₀之间的线性关系。
• 预测了超对称粒子的质量谱、稀有B介子衰变的分支比以及直接探测的截面。
• 估算在100 fb⁻¹亮度下，14 TeV LHC中寿命较长的超粒子τ子和重胶微子/夸克的预期事例率。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMSSM能否在与暗物质丰度和锂-7问题一致的前提下，解释观测到的125 GeV希格斯玻色子质量？
• RQ2 为了解决锂-7丰度偏差，超粒子τ子NLSP所需的质量简并和产额条件是什么？
• RQ3 在宇宙学和对撞机约束下，CMSSM共湮灭区域中预测的超对称粒子质量与产生率是多少？
• RQ4 预测的寿命较长的超粒子τ子和重胶微子/夸克信号与14 TeV LHC的预期灵敏度相比如何？
• RQ5 CMSSM框架在当前μ子反常磁矩、稀有B介子衰变和直接暗物质探测的限制下是否可行？

主要发现

• 允许的CMSSM参数空间表现出A₀与m₀之间的线性关系，随着tanβ从10增至30，该区域向更高标度移动。
• 规范子质量M₁/₂被限制在750–950 GeV（tanβ=10）至950–1050 GeV（tanβ=30）之间，具体取决于质量差和丰度约束。
• 超粒子τ子质量预测为310–400 GeV（tanβ=10）和450 GeV（tanβ=30），已避开当前LHC直接搜寻限制。
• 胶微子和第一/第二代夸克质量预测在1.6–2.3 TeV范围内，可在14 TeV LHC中探测到。
• 寿命较长的超粒子τ子的预期事例率约为3,900（轻中性子）和710（重中性子）每100 fb⁻¹，可实现清晰识别。
• 顶夸克质量预测较重（1.2–1.5 TeV），通过辐射修正显著贡献于希格斯玻色子质量，预计每100 fb⁻¹将产生约880–540对顶夸克事例。