[论文解读] Leaving no stone unturned in the hunt for SUSY naturalness: A Snowmass whitepaper

Howard Baer, V. Barger+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 8

一句话总结

该Snowmass白皮书提出，通过辐射驱动的自然SUSY（RNS）模型，若电弱精细调节参数较低（$\Delta_{\text{EW}} \lesssim 30$），则预测轻量希格斯ino（约100-300 GeV）、压缩谱型以及1-5 TeV范围内的胶球子，从而在LHC上产生独特的末态信号，如同荷双玻色子（SSdB）产生和多重轻子+缺失能量末态。关键结果表明，ILC在$\sqrt{s} \sim 600$ GeV能量下可完全探测剩余的自然性参数空间，而吨级WIMP探测器即使在轴子贡献稀释了原初丰度的情况下，也能探测到类希格斯ino的暗物质，其$\Omega_{\tilde{h}}h^2 \sim 0.01$。

ABSTRACT

Imposing electroweak scale naturalness constraints (low Δ_{EW}) on SUSY models leads to mass spectra characterized by light higgsinos ~100-300 GeV, highly mixed top-squarks and gluinos at the 1-5 TeV scale and allows for m_h ~125 GeV. First and second generation squarks can easily live at the 5-20 TeV scale, thus providing at least a partial solution to the SUSY flavor/CP problems. For such models at the LHC, gluino pair production is followed by cascade decays to t- and b-quark rich final states along with multileptons. The reach of LHC14 with 300 fb^{-1} is computed to be around m_{ g} 1.8 TeV. However, the small magnitude of the μ-parameter-- a necessary condition for naturalness-- leads to a unique hadronically quite same-sign diboson (W^\pm W^\pm) signature from wino pair production. In low Δ_{EW} models with unified gaugino masses, this signature yields a somewhat higher reach up to m_{ g} 2.1 TeV. The smallness of |μ| implies that the ILC should be a higgsino factory in addition to a Higgs factory, and a complete search for SUSY naturalness seems possible for \sqrt{s} 600 GeV. Since a thermal under-abundance of higgsino-like WIMP dark matter (DM) is expected, there is ample room for an axion DM contribution. A thorough search for higgsino-like WIMPs can be made by next generation WIMP detectors, such as those with ton-scale noble liquid targets.

研究动机与目标

• 识别辐射驱动自然SUSY（RNS）模型在低$\Delta_{\text{EW}}$下的现象学信号。
• 评估LHC（14 TeV，300 fb$^{-1}$）和ILC在探测这些模型方面的探测能力。
• 评估RNS框架下类希格斯inoWIMP与轴子贡献作为暗物质候选者的可行性。
• 确定通过直接探测与未来对撞机探测压缩希格斯ino谱的可能性。

提出的方法

• 通过希格斯势的辐射最小化实现低$\Delta_{\text{EW}}$，要求$|\mu| \sim 100-300$ GeV且$|m_{H_u}^2| \sim 100-300$ GeV。
• 使用NUHM2模型实现RNS，参数为$m_0 = 5$ TeV，$\tan\beta = 15$，$A_0 = -1.6m_0$，$m_A = 1$ TeV。
• 通过胶球子对产生（$\tilde{g}\tilde{g}$）和来自温希子对产生的同荷双玻色子（SSdB）产生来计算LHC的探测能力。
• 评估ILC在$\sqrt{s} = 250$、500和1000 GeV下的希格斯ino对产生灵敏度，重点关注$\sqrt{s} > 2|\mu|$的情况。
• 评估类希格斯inoWIMP的热原初丰度，并对轴子/WIMP共湮灭及轴子衰变引起的熵稀释进行建模。
• 通过$\xi = \Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 / 0.12$对直接探测极限进行缩放，以考虑次主导希格斯ino丰度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低-$\Delta_{\text{EW}}$ RNS模型中，LHC14在300 fb$^{-1}$下能否探测到质量高达$m_{\tilde{g}} \sim 1.8$ TeV的胶球子？
• RQ2 来自温希子对衰变的同荷双玻色子产生是否为RNS模型中轻量希格斯ino提供了独特信号？
• RQ3 ILC在$\sqrt{s} \sim 600$ GeV下是否能完全探测$\Delta_{\text{EW}} < 30$的剩余自然性参数空间？
• RQ4 在轴子贡献可能抑制原初丰度的条件下，类希格斯inoWIMP在吨级稀有气体探测器中的可探测性如何？
• RQ5 混合轴子-希格斯ino暗物质（$f_a \sim 10^{12}-10^{16}$ GeV）是否能在满足Boltzmann大爆炸核合成（BBN）与暗辐射约束的同时，实现$\Omega_{\text{DM}}h^2 \approx 0.12$？

主要发现

• LHC14在300 fb$^{-1}$下可通过$\tilde{g}\tilde{g}$产生探测到质量高达$m_{\tilde{g}} \sim 1.8$ TeV的胶球子，而同荷双玻色子（SSdB）信号在规范玻色子质量统一条件下可将探测极限扩展至$m_{\tilde{g}} \sim 2.1$ TeV。
• ILC在$\sqrt{s} \sim 600$ GeV下可完全探测$\Delta_{\text{EW}} < 30$的剩余参数空间，无论发现希格斯ino还是排除SUSY电弱自然性。
• 类希格斯inoWIMP的热原初丰度为$\Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 \sim 0.007-0.01$，远低于观测到的$\Omega_{\text{DM}}h^2 \approx 0.12$，因此需要额外的暗物质组分。
• 轴子贡献（$f_a \sim 10^{12}-10^{16}$ GeV）可与希格斯ino共存，且轴子衰变引起的熵稀释可抑制原初丰度，同时满足BBN与暗辐射约束。
• 吨级稀有气体探测器（如Xe-1-ton）即使在将直接探测极限按$\xi = \Omega_{\tilde{h}}^\text{TP}h^2 / 0.12$缩放以考虑局部WIMP密度降低后，仍可完全探测该模型的参数空间。
• 压缩的希格斯ino谱（约10-20 GeV质量间隙）使其在LHC上不可探测，但其存在对自然性至关重要，且可在未来对撞机与直接探测实验中被探测到。