[论文解读] Implications of low and high energy measurements on SUSY models

F. Jegerlehner|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 33

一句话总结

本文研究了低能精确测量（尤其是μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$）与大型强子对撞机（LHC）对超对称（SUSY）粒子质量的约束之间的张力。文章指出，尽管125 GeV的希格斯玻色子支持超对称理论，但要解释 $(g-2)_\mu$ 异常所需的较大 $\tan\beta$ 值却与LHC数据相冲突，这使得最小超对称标准模型（MSSM）的可行性受到挑战，除非新物理或更精确的理论计算能够解决这一差异。

ABSTRACT

New Physics searches at the LHC have increased significantly lower bounds on unknown particle masses. This increases quite dramatically the tension in the interpretation of the data: low energy precision data which are predicted accurately by the SM (LEP observables like M_W or loop induced rare processes like B --> X_s gamma or B_s --> mu+mu-) and quantities exhibiting an observed discrepancy between SM theory and experiment, most significantly found for the muon g-2, seem to be in conflict now. (g-2)_mu appears to be the most precisely understood observable which at the same time reveals a 3-4 sigma deviation between theory and experiment and thus requires a significant new physics contribution. The hints for a Higgs of mass about 125 GeV, which is precisely what SUSY extensions of the SM predict, seem to provide a strong indication for SUSY. At the same time it brings into serious trouble the interpretation of the (g-2)_mu deviation as a SUSY contribution.

研究动机与目标

• 评估最小超对称标准模型（MSSM）的预测在低能精确数据与高能LHC约束之间的一致性。
• 研究为何观测到的μ子$(g-2)$中3–4σ的偏离无法在不引入极大$\tan\beta$的情况下被MSSM贡献所轻易解释。
• 评估尽管存在与$(g-2)_\mu$和LHC质量限界之间的张力，125 GeV希格斯玻色子的发现是否仍支持SUSY。
• 考察未来实验（如费米实验室E989）在解决μ子反常磁矩问题及约束SUSY参数（如$\mu$和$\tan\beta$）中的作用。
• 质疑理论计算与实验测量$a_\mu$中的基本假设，特别是量子电动力学（QED）中红外效应的影响。

提出的方法

• 在MSSM框架内分析包括$M_W$、$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$和$a_\mu$在内的低能可观测量。
• 应用MSSM中的辐射修正来评估希格斯粒子质量的预测，表明其自然地低于140 GeV。
• 利用MSSM的两Higgs双峰模型（2HDM）结构，从精确测量数据中推导出对$\tan\beta$和$m_A$的约束。
• 评估LHC数据对超对称粒子质量限界的影响，特别是对色荷部分（colored sectors）的约束，及其对无色部分（uncolored sectors）贡献的含义。
• 考虑规范统一与R-奇偶性守恒在限制MSSM参数空间中的作用。
• 回顾$a_\mu$计算中的理论不确定性，特别是忽略μ子运动方程中辐射场的影响，并讨论其对实验精度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MSSM中，是否可以在不引入非自然大的$\tan\beta$的前提下，一致地解释μ子反常磁矩中3–4σ的偏离？
• RQ2 LHC对超对称粒子质量的约束如何影响能够解释$(g-2)_\mu$异常的MSSM情景的可行性？
• RQ3 在与$a_\mu$和LHC数据存在张力的背景下，125 GeV希格斯玻色子的发现在多大程度上支持MSSM？
• RQ4 QED中的红外问题对$a_\mu$精确测量有何影响？这是否会影响对观测异常的解释？
• RQ5 未来实验（如费米实验室E989和J-PARC的μ子$g-2$实验）将如何帮助解决$a_\mu$差异，并约束$\tan\beta$和$\mu$？

主要发现

• 观测到的μ子$(g-2)$中3–4σ的偏离是目前最精确的可观测量，显示出标准模型理论与实验之间存在显著差异，需要显著的新物理贡献。
• 质量接近125 GeV的希格斯玻色子强烈地被MSSM所预测，为SUSY提供了强有力的间接证据，但这一预测与解释μ子$g-2$异常所需的高$\tan\beta$值相冲突。
• 为匹配观测到的偏离，必须引入较大的$\tan\beta$以产生显著的负贡献来修正$a_\mu$，但此类$\tan\beta$值正日益受到LHC对第三代超对称粒子的约束所排斥。
• 要求$\tan\beta > m_t/m_b \approx 40$意味着存在反常的Yukawa层次（$y_b > y_t$），这在已知费米子质量的背景下显得不自然。
• 未来实验如费米实验室E989的目标精度为$\delta a_\mu = 16 \times 10^{-11}$，若其中心值保持不变，可使3σ异常提升至9σ。
• 在$a_\mu$计算中的理论不确定性，特别是忽略μ子动力学中辐射场的影响，可能影响对实验结果的解释，需在QED更高阶中进一步研究。