[论文解读] LHC signature with long-lived stau in high reheating temperature scenario

Motoi Endo, Koichi Hamaguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文研究了在高再热温度下的超对称模型中长寿命停微子的LHC信号，表明此类情景即使在早期LHC能量（7 TeV，1 fb⁻¹）下也能预测可观测的停微子信号，前提是再热温度高于10⁸ GeV。随着再热温度升高，胶微子质量受到更严格的限制，从而降低，增强停微子的产生，使其可通过位移顶点和长径迹探测到。

ABSTRACT

We study the possibility of observing the stau signal at LHC in case that the gravitino is the lightest supersymmetric particle and the stau is the next lightest supersymmetric particle in high reheating temperature scenario. We show that a number of stau signals can be observed at LHC for $\sqrt{s}=7 { m TeV}$ and an integrated luminosity of $1 { m fb}^{-1}$ in most of the parameter region for the reheating temperature $T_R\gsim{\cal O}(10^8) { m GeV}$. We also show that the parameter region with $T_R\gsim2 imes10^9 { m GeV}$, which is consistent with the thermal leptogenesis, is all covered for $\sqrt{s}=14 { m TeV}$ with $10 { m fb}^{-1}$.

研究动机与目标

• 研究高再热温度下长寿命停微子的对撞机现象学。
• 评估此类模型与宇宙学约束（特别是引力微子过量产和大爆炸核合成（BBN）限制）的相容性。
• 在R-奇偶性守恒且无再热后熵产生假设下，确定在这些宇宙学约束下停微子信号在LHC上的可观测性。
• 探讨停微子在希格斯玻色子（h和H）共振能级附近的湮灭过程对宇宙学约束和对撞机信号的影响。
• 提供不同规范耦合质量统一情景下胶微子质量的更新约束，并包含详细的探测器模拟结果。

提出的方法

• 使用公式 Ω₃/₂h² ≈ (T_R/10⁸ GeV) × [3.7×10⁻⁴(m₃/₂/100 GeV) + ...]，从再热后时期的热散射推导引力微子丰度，结合规范耦合质量的单圈RGE。
• 通过要求晚期停微子衰变不破坏原初核合成，应用BBN约束，推导引力微子质量的上限。
• 在零温与有限温场论中使用隧穿方法，约束停微子三线性耦合 A_ττh⁰ 与 A_ττH，以确保真空中稳定。
• 进行详细的探测器模拟，估算LHC上可观测的停微子事例数，考虑位移顶点信号。
• 考虑三种停微子湮灭通道：电弱过程、希格斯介导（h）湮灭，以及通过CP偶Higgs（H）在共振能级的共振湮灭。
• 在各种规范耦合质量统一模式（如GUT、类GUT、非统一）下评估胶微子质量的约束，以评估对撞机可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长寿命停微子情景下，与引力微子过量和BBN约束相容的最大再热温度是多少？
• RQ2 胶微子质量的上限如何依赖于再热温度和停微子质量？这对LHC发现潜力有何影响？
• RQ3 在高再热温度模型中，是否可在早期LHC数据（7 TeV，1 fb⁻¹）下观测到停微子？
• RQ4 通过h和H的共振停微子湮灭过程如何影响宇宙学约束及相应的对撞机信号？
• RQ5 通过隧穿方法获得的真空中稳定性约束，对停微子与希格斯玻色子三线性耦合的限制程度如何？

主要发现

• 当再热温度高于10⁸ GeV时，即使在7 TeV质心能量和1 fb⁻¹积分亮度下，LHC上可观测的停微子信号数量也显著。
• 再热温度 T_R ≥ 2×10⁹ GeV 的参数区域——与热轻子生成相容——在14 TeV下10 fb⁻¹亮度时被LHC完全覆盖。
• 更高的再热温度导致由于宇宙学约束而使胶微子质量更低，从而增强停微子的产生，提高其可探测性。
• 当 m_h = 120 GeV 时，停微子-三线性耦合 A_ττh⁰ 的上限受真空中稳定性约束，约为100–200 GeV，具体取决于停微子质量。
• 势能中的热修正显著影响真空中稳定性约束，要求在隧穿计算中仔细处理热自由能 F[ϕ,T]。
• 通过重希格斯玻色子H（在 m_H ≈ 2m_τ̃ 处）的共振停微子湮灭，对 A_ττH 耦合施加了更强的宇宙学约束，该约束取决于 m_H 和 m_τ̃。