[论文解读] Gravitino and Goldstino at Colliders

W. Buchmüller, Koichi Hamaguchi+2 more|ArXiv.org|Mar 18, 2004

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文提出通过强子对撞机中长寿命带电 selectron 三体衰变来检验超引力理论，重点关注衰变为 τ 轻子、光子与轻量级 gravitino 或 goldstino 的过程。通过分析这些衰变中的角分布与能量分布，即使在 gravitino 质量低于 1 GeV 的情况下，也能探测其自旋-3/2 性质及其特征耦合，从而将其与自旋-1/2 的 goldstino 或中性ino 状态区分开来。

ABSTRACT

We consider theories with spontaneously broken global or local supersymmetry where the pseudo-goldstino or the gravitino is the lightest superparticle (LSP). Assuming that the long-lived next-to-lightest superparticle (NSP) is a charged slepton, we study several supergravity predictions: the NSP lifetime, angular and energy distributions in 3-body NSP decays. The characteristic couplings of the gravitino, or goldstino, can be tested even for very small masses.

研究动机与目标

• 检验当 gravitino 为最轻超对称粒子（LSP）且带电 selectron 为次轻超对称粒子（NSP）时，超引力理论的预测。
• 通过三体衰变中的可观测信号，将自旋-3/2 的 gravitino 与自旋-1/2 的 goldstino 或中性ino 状态区分开来。
• 仅通过 NSP 寿命与运动学测量，确定 gravitino 质量并检验超引力理论中普朗克尺度抑制的耦合。
• 探索在探测器体积内发生衰变的极轻 gravitino（低至 keV 量级）的可行性。

提出的方法

• 分析长寿命带电 selectron NSP 的三体衰变：$\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$，其中 $X$ 为 gravitino ($\psi_{3/2}$)、goldstino ($\chi$) 或中性ino ($\lambda$)。
• 利用微分衰变率 $\mathrm{d}\Gamma/\mathrm{d}\cos\theta$ 提取末态粒子的角分布与能量分布。
• 应用角不对称性可观测量 $A_{\mathrm{RL}}(\cos\theta)$ 探测隐形粒子的自旋，对自旋-3/2 与自旋-1/2 性质敏感。
• 依赖运动学重建，通过衰变率中的普朗克质量抑制效应，从两体衰变 $\widetilde{\tau} \to \tau + \psi_{3/2}$ 推断 gravitino 质量。
• 考虑在大型强子对撞机（LHC）与直线对撞机上的实验可行性，假设通过储存环或前向收集足够多的 $\widetilde{\tau}$ NSP。
• 在角不对称性图中比较 gravitino、goldstino 与中性ino 的预测，显示自旋-1/2 状态具有独特的抑制模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过三体 selectron 衰变中的角分布，实验区分 gravitino 的自旋-3/2 性质与自旋-1/2 的 goldstino 或中性ino？
• RQ2 仅通过 $\widetilde{\tau}$ 衰变中的运动学与衰变率测量，对 gravitino 质量与耦合的探测程度如何？
• RQ3 对极轻 gravitino（如 $m_{3/2} \lesssim 10\,\mathrm{keV}$）的实验灵敏度如何，其衰变发生在探测器体积内？
• RQ4 在 $\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$ 衰变中，角分布与能量分布如何依赖于隐形粒子 $X$ 的自旋与质量？
• RQ5 能否通过 NSP 寿命测量，独立于其他超对称参数，检验 gravitino 的普朗克尺度抑制耦合？

主要发现

• 角不对称性 $A_{\mathrm{RL}}(\cos\theta)$ 显示，对于如 goldstino 或中性ino 等自旋-1/2 粒子，大 $\cos\theta$（后向衰变）被明显抑制，而自旋-3/2 的 gravitino 允许此类末态构型。
• 当 $m_{\widetilde{\tau}} = 150\,\mathrm{GeV}$ 且 $m_{3/2} = 10\,\mathrm{keV}$ 时，$\widetilde{\tau}$ 的寿命为 $\Gamma_{\widetilde{\tau}}^{-1} \simeq 7.8 \times 10^{-7}\,\mathrm{s}$，可通过探测器内部衰变实现探测。
• 当 $m_{\widetilde{\tau}} = 150\,\mathrm{GeV}$ 且 $m_{3/2} = 75\,\mathrm{GeV}$ 时，寿命增加至 $\Gamma_{\widetilde{\tau}}^{-1} \simeq 4.4\,\mathrm{y}$，需长期积累方可观测。
• 三体衰变率仅依赖于 $m_{\widetilde{\tau}}$、$m_{3/2}$ 与 $M_{\mathrm{P}}$，因此可实现对超引力理论预测的模型无关检验。
• 即使 gravitino 质量低于 $1\,\mathrm{GeV}$，其特征耦合（作为 goldstino 成分）仍可通过 $\widetilde{\tau} \to \tau + \gamma + X$ 衰变中的角分布与能量分布探测。
• 即使在 $m_{3/2} \to 0$ 的极限下，gravitino 与 goldstino 的区分依然稳健，原因在于自旋-3/2 的 gravitino 禁止了自旋-1/2 状态所允许的某些末态构型。