[论文解读] Interplay of Higgs and Sparticle Masses in the CMSSM with updated SUSY constraints

A. Belyaev, Shahida Dar+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 106被引用 9

一句话总结

本文利用更新的实验约束（包括下限为170.9 GeV的顶夸克质量、LEP2轻离子极限、稀有B介子衰变以及WMAP暗物质遗迹密度）研究了约束最小超对称标准模型（CMSSM）中希格斯玻色子与超对称粒子质量之间的关联。结果表明，大型强子对撞机（LHC）对希格斯玻色子质量的精确测量，结合直接暗物质探测，可显著约束超对称参数空间，特别是三线耦合 $A_0$，并以小于10%的精度解决焦点点与希格斯玻色子/共振区之间的简并性。

ABSTRACT

We estimate the bounds on Higgs and sparticle masses and discuss their correlations in the constrained minimal supersymmetric standard model (CMSSM). In our analysis we have applied the present constraints from collider and low energy experiments, as well as the experimental bound on cold dark matter from WMAP. For a given lightest Higgs boson mass, which is expected to be measured with good precision at the LHC, we find important correlations between the Higgs and sparticle masses which allows one to delineate the MSSM model parameters and particle spectra. We have also demonstrated an important complementarity between the LHC and direct dark matter detection experiments emphasizing that by including the experimental input both from collider physics and from dark matter detection experiments, one would significantly improve the measurement of the SUSY spectrum and the underlying parameter space.

研究动机与目标

• 利用170.9 GeV的更新顶夸克质量重新评估CMSSM参数空间。
• 整合来自对撞机物理（LEP2、稀有B介子衰变）与低能实验的最新约束。
• 应用WMAP冷暗物质遗迹密度约束来限制CMSSM参数空间。
• 识别可由LHC与直接探测实验探测到的最轻希格斯玻色子质量（$m_h$）与超对称粒子质量之间的稳健关联。
• 展示LHC与直接暗物质探测在解析超对称参数空间及确定 $A_0$ 方面的互补性。

提出的方法

• 对CMSSM参数空间进行全局扫描，其中 $m_0 \lesssim 5$ TeV，$m_{1/2} \leq 2$ TeV，$|A_0| \leq 2$ TeV，且 $\tan\beta = 5, 10, 50, 53$。
• 应用辐射电弱对称性自发破缺条件，基于 $\Delta a_\mu$ 确定 $\mu$ 与 $\mu > 0$。
• 施加来自LEP2轻离子搜寻、稀有B介子衰变（如 $b \to s \gamma$）以及WMAP冷暗物质遗迹密度的约束。
• 使用费曼图计算与谱生成器（如SOFTSUSY）计算 $m_h$、超对称粒子质量与中性子-核子散射截面。
• 分析参数空间中 $m_h$、$m_A$、$m_{\tilde{g}}$、$m_{\tilde{Z}_1}$ 与 $A_0$ 之间的关联。
• 比较直接探测实验（CDMS2、SuperCDMS、XENON-1吨）与LHC希格斯玻色子质量测量的预期灵敏度，以评估互补性。

实验结果

研究问题

• RQ1 更新的约束（尤其是170.9 GeV的下限顶夸克质量）如何影响CMSSM参数空间的允许范围及希格斯玻色子质量预测？
• RQ2 CMSSM中，最轻希格斯玻色子质量（$m_h$）与超对称粒子质量（如 $m_{\tilde{g}}$、$m_{\tilde{Z}_1}$）之间的关键关联是什么？
• RQ3 LHC希格斯玻色子质量测量与直接暗物质探测的结合能否解决CMSSM参数空间中的简并性，例如焦点点与希格斯玻色子/共振区之间的简并？
• RQ4 像SuperCDMS与XENON-1吨这样的直接探测实验在多大程度上能够区分不同 $A_0$ 驱动的共湮灭模式？
• RQ5 在 $m_h$ 理论不确定性为1 GeV的条件下，结合LHC与直接探测数据，$A_0$ 的确定精度能达到多高？

主要发现

• 即使 $m_0$ 与 $|A_0|$ 分别高达5 TeV与2 TeV，由于顶夸克质量降低，最轻希格斯玻色子质量仍被上限限制在122–123 GeV之间。
• 在参数空间中，$m_h$ 与超对称粒子质量（如 $m_{\tilde{g}}$、$m_{\tilde{Z}_1}$）之间形成强烈的关联，表现为狭窄带状区域，若 $m_h$ 测量精度达到1%，即可实现对超对称谱的精确预测。
• 结合LHC数据，$m_h$–$m_A$ 与 $m_h$–$m_{\tilde{g}}$ 关联可使 $A_0$ 的确定精度达到10%以下。
• 像SuperCDMS与XENON-1吨这样的直接探测实验能够分辨焦点点与希格斯玻色子/共振区，将其与非HB/FP带区分开。
• 若Stage-2（如SuperCDMS）或Stage-3（如XENON-1吨）探测器中出现正信号，将证实中性子存在于HB/FP区域，并可通过 $m_{\tilde{Z}_1}$–$A_0$ 关联提取 $A_0$。
• LHC与直接探测数据的结合提供了强有力的互补性，显著提升了对超对称谱及底层CMSSM参数（尤其是 $A_0$）的确定能力。