[论文解读] Naturalness, Supersymmetry and Light Higgsinos: A Snowmass Whitepaper

Howard Baer, V. Barger+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 13

一句话总结

本Snowmass白皮书认为，规范对称性中的自然性要求|μ|参数较小，从而导致轻希格斯ino作为自然性最根本的信号。本文引入了电弱精细调谐量Δ_EW，作为对自然性具有物理意义且基于谱的代理指标，该指标可限制精细调谐程度，并表明当Δ_EW < 30时，|μ| < 300 GeV，因此e⁺e⁻对撞机在发现中至关重要。

ABSTRACT

We show that the electroweak fine-tuning parameter Δ_{ m EW} derived from the well-known electroweak symmetry breaking condition written in terms of weak scale parameters leads to {\it a bound on fine-tuning in the MSSM} and explain its utility for phenomenological analyses. We argue that a small magnitude of the mu parameter, and the concomitant presence of light higgsinos, is the most basic consequence of naturalness in SUSY models, and list the resulting implications of this for experiments at the LHC and at future e^+e^- colliders.

研究动机与目标

• 在不依赖高能尺度（HS）物理的前提下，建立Δ_EW作为MSSM中电弱精细调谐的可靠、基于谱的度量。
• 论证小|μ|参数（即轻希格斯ino）是SUSY中自然性的最根本结果，而非轻top squark。
• 证明低Δ_EW值（≤30）意味着|μ| < 300 GeV，从而使得未来e⁺e⁻对撞机能够探测到希格斯ino。
• 通过识别轻希格斯ino及混合gaugino-higgsino态的关键信号，指导LHC和未来对撞机的唯象学研究。
• 厘清各类精细调谐度量之间的层级关系：Δ_EW < Δ_BG ≲ Δ_HS，其中Δ_EW最适用于唯象学推断。

提出的方法

• 以弱能标下的软参数表示电弱对称性自发破缺条件（公式1），包括一阶量子修正（Σ_u^u, Σ_d^d）。
• 将Δ_EW定义为M_Z²对弱能标参数的最大相对敏感度（公式2），作为精细调谐的上界。
• 将Δ_EW与Δ_HS（高能尺度精细调谐）和Δ_BG（Barbieri-Guidice度量）进行比较，表明Δ_EW虽较不严格，但更具唯象学可及性。
• 利用mSUGRA/CMSSM中的RGE改进一阶解（公式3），说明尽管Δ_EW增加，当m₀较大时，参数相关性仍可降低精细调谐。
• 分析对撞机信号：e⁺e⁻对撞机中通过W/Z→jj+MET产生希格斯ino对；LHC中多轻子事例；软衰变产物的单喷注/单光子信号。
• 基于Δ_EW阈值和希格斯ino态之间的质量间隙，评估LHC和未来对撞机的发现能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超对称模型中，自然性的最根本后果是什么——轻top squark还是小|μ|参数？
• RQ2 电弱精细调谐度量Δ_EW与高能尺度度量如Δ_HS和Barbieri-Guidice度量Δ_BG相比如何？
• RQ3 能否在不了解底层高能尺度理论的前提下，利用Δ_EW推断轻希格斯ino的存在？
• RQ4 在LHC和未来e⁺e⁻对撞机中，轻希格斯ino的主要发现通道是什么？
• RQ5 质量间隙和衰变拓扑结构如何影响LHC中希格斯ino对的可探测性？

主要发现

• Δ_EW < 30时意味着|μ| < 300 GeV，直接表明轻希格斯ino的存在是自然性的结果。
• 当√s ≳ 2|μ|时，e⁺e⁻对撞机可通过低能可见衰变探测希格斯ino对产生，提供决定性的发现通道。
• Δ_EW ≈ 10–30的模型中，top squark可位于1–5 TeV范围，表明自然性并不要求轻top squark。
• 当|M₁,₂| ≈ |μ|时，带电粒子和中性粒子成为混合态，导致LHC中可观测的多轻子信号。
• 当|M₂| ≤ 0.8–1 TeV且|μ|较小时，来自wino对产生的强子喷注安静的同号双轻子事例，为LHC提供了最佳探测能力。
• 希格斯ino态之间极小的质量间隙（10–15 GeV）使得其在LHC中探测极为困难，提示应采用初态辐射（单喷注、单光子）作为替代发现模式。