[论文解读] Particle and Astroparticle Searches for Supersymmetry

Jonathan L. Feng, K. Matchev+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文在最小超引力框架下对超对称性的粒子与天体粒子探测进行了全面分析，强调了对撞机、低能精确测量、直接探测与间接暗物质探测之间的互补性。结果表明，综合实验可探测几乎所有宇宙学上偏好的超对称模型；若超对称性在弱能标下实现且中性子为暗物质，则在大型强子对撞机（LHC）运行之前，可观测信号必须已出现——尤其是当超伴粒子足够轻，可被500 GeV线性对撞机探测到时。

ABSTRACT

Supersymmetry may be discovered at high energy colliders, through low energy precision measurements, and by dark matter searches. We present a comprehensive analysis of all available probes in minimal supergravity. This work extends previous analyses by including the focus point branch of parameter space and the full array of promising indirect dark matter searches. We find that particle and astrophysical searches underway are highly complementary: each separately provides only partial coverage of the available parameter space, but together they probe almost all models. Cosmology does {\em not} provide upper bounds on superpartner masses useful for future colliders. At the same time, in the cosmologically preferred region, if supersymmetry is to be observable at a 500 GeV linear collider, some signature of supersymmetry must appear {\em before} the LHC.

研究动机与目标

• 评估在最小超引力框架下，粒子与天体粒子探测手段对超对称性的全面覆盖。
• 通过纳入参数空间中的焦点点区域，扩展先前分析，该区域具有独特的暗物质特性。
• 评估间接暗物质探测（如中微子、伽马射线和反物质探测）与直接探测及对撞机探测的敏感性。
• 确定未来实验是否能在大型强子对撞机（LHC）运行前，覆盖所有宇宙学上偏好的超对称模型。
• 确定500 GeV线性对撞机是否仅在其他实验中信号提前出现时，才能探测到超对称性。

提出的方法

• 以最小超引力（mSUGRA）框架作为超对称现象学的保守基准。
• 纳入mSUGRA参数空间中的焦点点区域，其中最轻的中性子具有显著的希格斯ino成分。
• 评估来自多种实验探测手段的约束与敏感度：LEP、Tevatron、B工厂 $B\to X_s\gamma$、$g_\mu-2$、直接暗物质探测器（CDMS、CRESST、GENIUS），以及间接探测（中微子、伽马射线、正电子、反质子）。
• 利用表1中的敏感度阈值预测实验的探测能力，包括带电sparticle质量限制、$B\to X_s\gamma$分支比、μ子反常磁矩，以及中性子湮灭产生的次级粒子通量。
• 对来自银心的伽马射线采用依赖于晕模型的约束，假设中等分布（$\bar{J}=500$）。
• 综合所有探测手段的结果，评估对mSUGRA参数空间的总体覆盖情况，尤其关注 $\Omega_\chi h^2 \in [0.1, 0.3]$ 的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大型强子对撞机（LHC）运行前，当前及近未来实验是否能探测到所有宇宙学上偏好的超对称模型？
• RQ2 间接暗物质探测（尤其是中微子、伽马射线和反物质探测）如何与传统的对撞机和低能精确测量相辅相成？
• RQ3 若超对称性在弱能标下实现且中性子为暗物质，500 GeV线性对撞机将面临何种影响？
• RQ4 为何mSUGRA的焦点点区域特别适合间接暗物质探测？
• RQ5 在何种条件下，超对称性可能逃避所有当前及计划中的实验探测？

主要发现

• 粒子与天体物理探测高度互补：单一探测手段无法覆盖全部参数空间，但其组合可探测几乎所有宇宙学上偏好的模型。
• 在焦点点区域，中性子具有显著的希格斯ino成分，使其对间接暗物质探测（如中微子与伽马射线探测）最为敏感。
• 对于 $\tan\beta = 10$，所有宇宙学上偏好的模型在大型强子对撞机（LHC）运行前至少在一个实验中会产生可观测信号。
• 对于 $\tan\beta = 50$，存在一个较小的参数空间区域（$M_{1/2} \gtrsim 450~{\rm GeV}$ 且 $m_0 \gtrsim 1.5~{\rm TeV}$）未被探测到，但该区域需要显著的微调，且因自然性原则而不被青睐。
• 若超对称性在弱能标下实现且中性子为暗物质，则500 GeV线性对撞机仅在其他实验中信号提前出现时才能探测到超伴粒子；此结论与自然性无关。