[论文解读] Naturalness and light Higgsinos: why ILC is the right machine for SUSY discovery

Suvi-Leena Lehtinen, Howard Baer+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文主张国际线性对撞机（ILC）在发现或排除自然超对称性方面具有独特优势，特别是在辐射驱动的自然SUSY模型所预测的轻量、近乎简并的希格斯ino（100–200 GeV）情形下。利用ILC在√s = 500 GeV下的精密模拟与ILD探测器概念，本文表明希格斯ino的质量与产额截面可实现约1%的测量精度，从而能够准确预测较重的SUSY粒子，并检验规范玻色子统一性。

ABSTRACT

Radiatively-driven natural supersymmetry, a theoretically and experimentally well-motivated framework, centers around the predicted existence of four light, nearly mass-degenerate Higgsinos with mass $\sim 100-200$ GeV (not too far above $m_Z$). The small mass splittings amongst the higgsinos, typically 4-20 GeV, results in very little visible energy arising from decays of the heavier higgsinos. Given that other SUSY particles are considerably heavy, this makes detection challenging at hadron colliders. On the other hand, the clean environment of an electron-positron collider with $\sqrt{s}>2m_{higgsino}$ would enable a decisive search of these required higgsinos, and thus either the discovery or exclusion of natural SUSY. We present a detailed simulation study of precision measurements of higgsino masses and production cross sections at $\sqrt{s}$ = 500 GeV of the proposed International Linear Collider currently under consideration for construction in Japan. The study is based on a Geant4 simulation of the International Large Detector concept. We examine several benchmark points just beyond the HL-LHC reach, with four light higgsinos directly accessible by the ILC, and the mass differences between the lightest SUSY particle and the heavier states ranging from about 4 to 20 GeV. It can be shown that their masses and production cross sections can be precisely measured to approximately 1\% precision or better. These precise measurements allow for extracting the underlying weak scale SUSY parameters, giving predictions for the masses of heavier SUSY states. These provide motivation for future high-energy colliders. Additionally, dark matter properties may be derived. Evolution of the measured gaugino masses to high energies should allow testing the hypothesis of gaugino mass unification.

研究动机与目标

• 评估ILC在辐射驱动自然SUSY背景下发现或排除轻量希格斯ino的能力。
• 评估在√s = 500 GeV下使用ILD探测器概念时，对希格斯ino质量与截面测量的精度。
• 确定对轻量希格斯ino的精密测量在多大程度上可约束或预测未观测到的较重SUSY粒子的质量。
• 通过将测得的低能SUSY参数演化至高能尺度，检验规范费米子质量统一的假设。
• 通过MicrOMEGAs计算的遗迹密度，探讨该情形下希格斯ino LSP的暗物质影响。

提出的方法

• 使用Whizard和Pythia对√s = 500 GeV下的希格斯ino对产生与衰变过程（e+e− → χ̃0_1χ̃0_2 和 e+e− → χ̃+1χ̃−1）进行事件生成与强子化模拟。
• 采用基于Geant4的国际大型探测器（ILD）概念模拟，以建模探测器响应并重建衰变产物的不变质量。
• 通过使用电子束极化（80% e−，30% e+）增强信号灵敏度并减少背景。
• 通过可见衰变产物的不变质量峰重建希格斯ino质量，利用已知的质心系能量与动量守恒。
• 采用截断计数策略，基于4 ab−1的积分亮度测量产额截面。
• 使用Fittino（MCMC）对10个参数的pMSSM进行拟合，输入为测得的希格斯ino质量、截面及ILC的希格斯观测量，利用SPheno和FeynHiggs将参数演化至GUT尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC能否在自然SUSY背景下实现对轻量希格斯ino质量与产额截面的亚百分之一精度测量？
• RQ2 对轻量希格斯ino的精密测量在多大程度上可约束或预测未观测到的较重SUSY粒子的质量？
• RQ3 将测得的规范费米子质量演化至高能尺度，能否检验规范费米子质量统一的假设，并揭示潜在的GUT尺度物理？
• RQ4 在此情形下，希格斯ino LSP的暗物质影响是什么？其遗迹密度能否从ILC测量中准确预测？
• RQ5 束流极化与探测器模拟如何影响ILC在洁净环境中对轻量希格斯ino的探测灵敏度？

主要发现

• 在√s = 500 GeV下，利用ILD探测器概念，希格斯ino质量可实现约1%或更优的测量精度。
• 在4 ab−1的数据集下，希格斯ino对产生截面的测量具有0.5–2%的统计不确定性。
• 控制希格斯ino质量分裂的双希格斯ino与温希格斯ino质量参数（M1与M2）的不确定性被约束在1–2%之间，从而实现对较重中性ino与带电ino质量2%的预测精度。
• 未观测超对称粒子质量的95%与99%置信区间预测具有高度准确性，如图3中ILC1所示。
• 将M1与M2演化至高能尺度后，其在2 × 10^16 GeV处实现统一，为GUT尺度SUSY模型提供了有力证据。
• 若假设M3在同一尺度统一，则胶微子质量可高置信度预测，为未来对撞机能量规划提供关键指导。