[论文解读] Collider signatures of low scale supersymmetry breaking: A Snowmass 2013 White Paper

Emilian Dudaş, Christoffer Petersson+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 6

一句话总结

本文研究了在接近TeV量级的低能标下发生自发对称性自发破缺的超对称（SUSY）的对撞机信号，其中金斯蒂诺（goldstino）和希格斯金斯蒂诺（sgoldstino）——自发SUSY破缺的Nambu-Goldstone模——在标准模型与超对称伙伴之间介导了新颖的相互作用。研究识别出一系列独特信号，如共振双光子、双胶子喷注和双玻色子末态，以及对单光子+缺失能量和四光子的奇异Higgs衰变，还有被软SUSY破缺参数调制的Higgs耦合，这些信号共同提供了对超对称谱的统一探测手段。

ABSTRACT

We consider the possibility that supersymmetry is broken at a low scale, within one order of magnitude above the TeV scale. In such a case, the degrees of freedom associated with the spontaneous breaking of supersymmetry, the goldstino fermion and its scalar superpartner (the sgoldstino), can have significant interactions with the Standard Model particles and their superpartners. We discuss some characteristic processes, involving the goldstino and the sgoldstino, and the collider signatures they give rise to. These signatures involve scalar resonances in the di-photon, di-jet, di-boson and di-tau channels, the possible relation between these resonances and deviations in the Higgs couplings as well as exotic Higgs decays in the monophoton+MET and the four photon channels.

研究动机与目标

• 探索在接近TeV量级的低能标下发生超对称性破缺的物理后果，此时金斯蒂诺和希格斯金斯蒂诺变得轻量且与标准模型及其超对称伙伴强耦合。
• 识别由金斯蒂诺和希格斯金斯蒂诺相互作用引发的、在传统SUSY模型中不存在的独特对撞机信号。
• 证明这些信号——如共振标量态和奇异Higgs衰变——可在大型强子对撞机（LHC）上被探测，并为超对称谱提供统一的观测窗口。
• 鉴于早期LHC数据中尚未发现信号，倡导开展系统性的实验计划以探测低能标SUSY破缺。

提出的方法

• 本文将金斯蒂诺和希格斯金斯蒂诺建模为一个具有非零F项真空期望值f的规范单态复超多重态X的组成部分，从而实现SUSY的自发破缺。
• 将软SUSY破缺项（标量质量、规范伴费米子质量）提升为包含X超多重态的SUSY不变算符，从而生成与软质量与f之比成正比的相互作用。
• 由此得到的有效拉格朗日量包括金斯蒂诺与超流密度以及与SM超对称伙伴的导数和非导数耦合，其强度由软参数除以f决定。
• 分析了特定过程，如h → γγ、h → jj、h → 4γ、h → γ + E_T，以及h → ZZ*，其中Higgs粒子衰变为金斯蒂诺对或通过中间的希格斯金斯蒂诺共振态衰变。
• 分析包括动量空间约束和相空间考虑，尤其关注双光子和四光子末态，并评估了希格斯金斯蒂诺质量及其衰变模式的作用。
• 强调了针对不同自旋和洛伦兹结构，实验效率和探测接受度测量的重要性，以实现信号的识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 当SUSY在TeV量级破缺时，轻量金斯蒂诺和希格斯金斯蒂诺的存在会产生哪些对撞机信号？
• RQ2 金斯蒂诺和希格斯金斯蒂诺对SM和超对称伙伴场的耦合如何改变Higgs玻色子的衰变和产生率？
• RQ3 通过希格斯金斯蒂诺交换，是否能在双光子、双胶子喷注和双玻色子末态中产生共振标量态？其动量特性如何？
• RQ4 在多大程度上，如h → 单光子 + 缺失能量或h → 4γ的奇异Higgs衰变可被用于探测低能标SUSY破缺？
• RQ5 现有实验分析在何种程度上可被调整以探测这些信号，特别是在缺失能量和喷聚光子末态的背景下？

主要发现

• 在双光子、双胶子喷注和双玻色子通道中，轻量希格斯金斯蒂诺的衰变可产生共振标量态，其共振质量受Higgs质量与希格斯金斯蒂诺质量的约束。
• Higgs衰变为两个金斯蒂诺（h → GG）可导致单光子 + 缺失能量末态，其中光子横动量端点位于m_h/2 ≈ 63 GeV处。
• Higgs衰变为四光子或两光子加两胶子喷注，可通过两体衰变h → xx实现，其中x为轻量希格斯金斯蒂诺，随后衰变为γγ、jj或ττ；若希格斯金斯蒂诺质量超过100–400 MeV，四光子末态可被重建。
• 希格斯金斯蒂诺可介导Higgs与光子及胶子的修正耦合，导致Higgs信号强度偏离，其偏离程度对软SUSY破缺尺度和超对称伙伴质量敏感。
• 本文指出，四胶子末态被QCD背景淹没，但若希格斯金斯蒂诺衰变为底夸克，可通过在2b2j和4b末态中使用b-夸克标记探测该过程。
• 作者认为，只要获得不同自旋和洛伦兹结构下的详细效率和接受度信息，现有针对双光子和单光子+缺失能量末态的实验分析可被重新用于探测这些信号。