[论文解读] Improved $(g-2)_μ$ Measurements and Supersymmetry : Implications for $e^+e^-$ colliders

Manimala Chakraborti, S. Heinemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了最小超对称标准模型（MSSM）作为解决μ子反常磁矩中持续存在的4.2σ偏差的解决方案。通过结合大型强子对撞机（LHC）的直接搜寻、暗物质丰度以及直接探测的约束，研究发现最轻的中性ino（LSP）和次轻的超对称粒子（NLSP）质量必须低于约600 GeV，使其成为未来e⁺e⁻对撞机（如ILC和CLIC）的理想探测目标。

ABSTRACT

The persistent 3-4$σ$ discrepancy between the experimental result from BNL for the anomalous magnetic moment of the muon and its Standard Model (SM) prediction, was confirmed recently by the "MUON G-2" result from Fermilab. The combination of the two measurements yields a deviation of 4.2$σ$ from the SM value. Here, we review an analysis of the parameter space of the electroweak (EW) sector of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), which can provide a suitable explanation of the anomaly while being in full agreement with other latest experimental data like the direct searches for EW particles at the LHC and dark matter (DM) relic density and direct detection constraints. Taking the lightest supersymmetric particle (LSP) (the lightest neutralino in our case) to be the DM candidate, we discuss the case of a mixed bino/wino LSP, which can account for the full DM relic density of the universe and that of wino and higgsino DM, where we take the relic density only as an upper bound. We observe that an upper limit of ~ 600 GeV can be obtained for the LSP and next-to (N)LSP masses establishing clear search targets for the future HL-LHC EW searches, but in particular for future high-energy $e^+e^-$ colliders, such as the ILC or CLIC.

研究动机与目标

• 确定MSSM中能够解释(g-2)μ 4.2σ偏差的可行超对称参数空间。
• 通过在CheckMATE中重新分析，纳入最新的LHC对查林子、中性ino和轻子的直接搜寻约束。
• 结合暗物质丰度和直接探测约束，进一步限制允许的参数空间。
• 识别出对未来的e⁺e⁻对撞机（如ILC和CLIC）可探测的LSP和NLSP的质量范围。
• 评估未来e⁺e⁻对撞机（ILC、CLIC）对与希格斯ino、温ino及希格斯ino/温ino暗物质相关的压缩超对称谱的发现潜力。

提出的方法

• 分析MSSM的电弱 sector，重点关注具有共同软对称性破缺参数的查林子、中性ino和轻子。
• 应用更新后的(g-2)μ世界平均值（Δaμ = 25.1 ± 5.9 × 10⁻¹⁰）以及3.7σ至4.2σ的偏差。
• 通过CheckMATE重新分析LHC搜寻结果，对中性ino、查林子和轻子质量施加直接约束。
• 考虑两种暗物质情景：(1) 混合型希格斯ino/温inoLSP，其贡献全部暗物质丰度；(2) 温ino/希格斯inoLSP，其暗物质丰度为上限。
• 在mχ̃₁±–Δm平面中投影未来e⁺e⁻对撞机（ILC、CLIC）的发现覆盖范围，其中Δm = mχ̃₁± − mχ̃₁⁰。
• 评估对压缩谱和Z/h-共振过程在e⁺e⁻ → χ̃₁⁰χ̃₁⁰γ反应中的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足所有当前实验约束的前提下，MSSM中LSP和NLSP的质量范围是什么，才能解释4.2σ的(g-2)μ异常？
• RQ2 LHC直接搜寻、暗物质丰度和直接探测限制在(g-2)μ异常背景下如何约束MSSM参数空间？
• RQ3 未来e⁺e⁻对撞机（如ILC和CLIC）在多大程度上能够探测与希格斯ino、温ino及希格斯ino/温ino暗物质相关的压缩超对称谱？
• RQ4 对于不同LSP组成情景，特别是mχ̃₁±–Δm平面中，ILC和CLIC的预期发现覆盖范围如何？
• RQ5 在(g-2)μ解决方案的背景下，e⁺e⁻对撞机中通过Z或h-共振产生中性ino是否能产生可探测的信号？

主要发现

• 结合更新后的(g-2)μ结果和LHC搜寻约束，MSSM中LSP和NLSP的质量必须低于约600 GeV。
• 对于希格斯ino和温ino暗物质，整个允许的参数空间均可由高能e⁺e⁻对撞机（如ILC1000或CLIC1500）探测，尤其是在压缩谱区域。
• 在贡献全部暗物质丰度的希格斯ino/温inoLSP情景中，未来e⁺e⁻对撞机最具约束力，CLIC1500预计可覆盖整个允许区域。
• 由于质量分裂较小，HL-LHC和HE-LHC仅能部分覆盖温ino和希格斯ino暗物质的参数空间，凸显了高能e⁺e⁻对撞机的必要性。
• 通过Z或h-共振产生中性ino的e⁺e⁻对撞机探测能力显著增强，可能产生可探测的χ̃₁⁰χ̃₁⁰γ末态。
• 未来e⁺e⁻对撞机对于覆盖压缩超对称谱的完整参数空间至关重要，特别是对于温ino和希格斯ino暗物质，pp对撞机无法充分覆盖。