[论文解读] Naturalness and light higgsinos: A powerful reason to build the ILC

Howard Baer, H. Fujii+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文主张自然超对称性预测轻量级希格斯ino（100–300 GeV）具有微小的质量劈裂，使其在大型强子对撞机（LHC）上几乎不可见，但可在拟议的国际线性对撞机（ILC）上探测到。通过在ILC上对希格斯ino对产生和衰变进行精确测量，本研究证明ILC能够发现或排除轻量级希格斯ino，并提取关键的SUSY参数，从而直接检验自然性与大统一理论。

ABSTRACT

A core prediction of natural Supersymmetry is the existence of four light higgsinos not too far above the mass of the $Z$ boson. The small mass splittings amongst the higgsinos -- typically 5-20\,GeV -- imply very little visible energy release from decays of heavier higgsinos. In particular, if other SUSY particles are quite heavy, as can be the case in SUSY with radiatively-driven naturalness, the higgsinos are extremely hard to detect at hadron colliders. The clean environment of electron-positron colliders with $\sqrt{s} > 2m_{\mathrm{higgsino}}$, however, would allow for a decisive search for the required light higgsinos. Thus, $e^+e^-$ colliders should either discover or exclude natural SUSY. We present a detailed study of higgsino pair production at the proposed International Linear $e^+e^-$ Collider which is under consideration for construction in Japan. A variety of precision measurements should allow for extraction of underlying parameters and provide a window onto physics at the grand unified scale.

研究动机与目标

• 确立自然超对称性预测轻量级希格斯ino（100–300 GeV）具有微小质量劈裂（约5–20 GeV），使其在LHC上几乎不可见。
• 证明ILC的洁净环境（√s > 2mhiggsino）可实现对轻量级希格斯ino的决定性发现或排除。
• 表明ILC对希格斯ino对产生和衰变的精确测量可高精度提取底层SUSY参数。
• 利用ILC与LHC数据联合测试GUT尺度上规范轻子质量统一的假设。
• 基于ILC在弱能标探测自然性与新物理的独特能力，为其建设提供强有力动机。

提出的方法

• 使用WHIZARD事件生成器模拟ILC上的希格斯ino对产生，包含束流辐射、初始态辐射（ISR）及通过PYTHIA 6.422的强子化效应。
• 基于GEANT4的ILC探测器概念（ILD）完整模拟，以建模二轻子末态的信号与背景事件。
• 利用末态电子与μ子的不变质量及能量分布，在500 fb⁻¹亮度下实现约1%精度的希格斯ino质量提取。
• 利用极化e⁺e⁻束流（P(e⁻,e⁺) = +80%/-30% 与 -80%/+30%）通过极化依赖的截面区分希格斯ino样与Wino样带电轻子。
• 使用FITTINO软件，结合ILC测量结果与LHC提供的10%胶球质量测量，对SUSY参数进行全局拟合。
• 通过两圈RGE（使用SPHENO）将拟合得到的弱能标参数演化至GUT尺度，以检验规范轻子质量统一。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC能否探测在LHC上因压缩谱而不可见或极难观测的轻量级希格斯ino？
• RQ2 ILC在多大程度上可实现对希格斯ino质量与产生截面的高精度测量？
• RQ3 希格斯ino产生截面的极化依赖性能否区分希格斯ino样与Wino样带电轻子？
• RQ4 ILC与LHC数据的联合分析能否检验GUT尺度上规范轻子质量统一的假设？
• RQ5 若胶球在LHC上未被探测到，ILC对胶球质量的预测能力如何？

主要发现

• ILC上希格斯ino对产生截面在阈值附近位于10²–10³ fb范围内，支持高精度测量。
• 基于√s = 500 GeV下500 fb⁻¹数据，利用二轻子不变质量与能量分布，可实现约1%精度的希格斯ino质量提取。
• 极化依赖的截面测量使希格斯ino性质的测量精度达3%，可有效区分其与Wino样态。
• ILC可实现对Higgs玻色子分支比的亚百分之一精度测量，从而实现模型无关的耦合测量。
• 在弱能标下拟合的SUSY参数（µ, tanβ, M₁, M₂, M₃）可演化至GUT尺度，在NUHM2基准模型中显示出与统一的一致性。
• 即使胶球在LHC上未被观测到，ILC仍可测试M₁与M₂的统一尺度，并在GUT尺度统一成立的前提下预测M₃。