[论文解读] Chargino production at the ILC

María Teresa Núñez Pardo de Vera, M. Berggren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 12

一句话总结

本研究评估了国际线性对撞机（ILC）在MSSM参数空间中通过粒子对产生探测最轻带电sparticle（eχ±₁）的探测范围。利用SPheno和Whizard，计算了在√s = 500 GeV下，经优化的束流极化（−80%，+30%）条件下的截面，同时考虑了初态辐射和右 neutrino交换。主要结果表明，即使在最坏情况下（即eχ±₁与LSP质量差较小且右 neutrino质量较大），由于ILC相比LEP在亮度和极化方面的提升，ILC仍可探测接近动力学极限的eχ±₁质量，从而在所有混合情形下实现发现或排除。

ABSTRACT

The lighter chargino, $\widetilde{\chi}_1^{\pm}$, is a prime candidate to be the next-to-lightest SUSY particle (the NLSP). Several analyses of $\widetilde{\chi}_1^{\pm}$ pair-production at the ILC, at specific model-points, have been performed, showing that detection and property-determination is possible, even for very difficult cases. However, no recent studies have evaluated the reach of the ILC to detect $\widetilde{\chi}_1^{\pm}$ pair production in general. In this study, cross sections for $\widetilde{\chi}_1^{\pm}$ pair production at the ILC were evaluated within a wide range of parameters. The aim was to determine the conditions for the lowest cross sections and compare these worst-case values with an estimation of the cross section limit for the observation of the lightest charginos at the ILC. The estimated limits were extrapolated from the studies performed at LEP, which can also be regarded as a worst-case scenario, since the tremendous advances in detector and accelerator technologies are disregarded

研究动机与目标

• 评估ILC在一般MSSM参数空间中对最轻带电sparticle（eχ±₁）的发现能力。
• 识别最坏情况条件——特别是eχ±₁与LSP之间质量差较小的情形——此时探测最为困难。
• 将ILC的预期灵敏度与基于保守假设外推的LEP极限进行比较。
• 评估右 neutrino质量与束流极化对截面的影响，特别是在Wino类和Higgsino类带电sparticle区域。
• 确定ILC是否能在最困难的参数区域中，实现对eχ±₁质量接近动力学阈值的发现或排除。

提出的方法

• 使用SPheno计算MSSM谱，使用Whizard 2在树图层次计算eχ±₁对产生截面。
• 模拟ILC条件：√s = 500 GeV，束流极化P(e⁻, e⁺) = (−80%, +30%)，并采用ILC TDR中的能量展宽参数。
• 在截面计算中包含初态辐射（ISR）光子，以模拟实际信号选择。
• 通过改变M₂、µ、tanβ = 10以及右 neutrino质量（从~100 GeV到~1 TeV）扫描SUSY参数空间。
• 评估三种带电sparticle情形：Higgsino类（M₂ ≫ µ）、Wino类（µ ≫ M₂）和混合类（µ ≈ M₂）。
• 基于高sfermion质量与eχ±₁和LSP之间质量差（∆M）较小的假设，将LEP2的95% CL排除极限外推至ILC条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MSSM参数空间中，eχ±₁对产生过程的最小截面是多少，特别是在最坏情况下？
• RQ2 低质量右 neutrino如何通过t通道交换影响eχ±₁的产生截面？
• RQ3 即使eχ±₁与LSP的质量差极小，ILC是否仍能实现对eχ±₁的发现或排除，直至动力学极限？
• RQ4 ILC的束流极化与亮度如何相较于LEP2提升eχ±₁探测的灵敏度？
• RQ5 与LEP相比，ILC在探测器与加速器技术方面的进步在多大程度上增强了对软衰变及长寿命粒子末态的探测灵敏度？”

主要发现

• 在Wino类带电sparticle情形下，当右 neutrino质量接近√s/2 ≈ 250 GeV时，eχ±₁对产生截面最低，这是由于s通道与t通道之间的破坏性干涉所致。
• 当右 neutrino质量接近动力学极限（~250 GeV）时，由于t通道干涉，截面显著下降——最多降低约2倍，尤其在Wino类情形下更为明显。
• 采用−/+束流极化（−80%，+30%）可获得最大截面，因此是eχ±₁探测的最优配置，其他极化组合贡献可忽略不计。
• 即使在最坏情况（即质量差小且sfermion质量高）下，ILC仍可探测接近动力学极限的eχ±₁质量（在√s = 500 GeV下约为250 GeV）。
• 外推的LEP2极限表明，ILC可排除或发现接近动力学阈值的eχ±₁，其灵敏度提升主要得益于更高的亮度和束流极化。
• 本研究指出，ILC的无触发运行模式与先进探测器技术可进一步提升灵敏度，超越基于LEP的保守外推，尤其对软衰变或长寿命带电sparticle衰变情形具有显著增益。