[论文解读] Phenomenology of stops, sbottoms, $ au$ sneutrinos, and staus at an $e+ e-$ linear collider

A. Bartl, H. Eberl+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文研究了在√s = 0.5–1 TeV的e⁺e⁻直线对撞机上，第三代超费米子——停止、 smuon、超tau子和tau中微子——的产生与衰变现象学。在MSSM框架下，结合自能辐射修正与束流极化，本文表明极化束流显著增强了对超费米子混合参数的探测灵敏度，从而能够精确测定软SUSY破缺参数，并使直线对撞机成为轻停止（m̃t₁ < 250 GeV）和高tanβ情形下staus的发现工具，而这些粒子在强子对撞机中难以被探测到。

ABSTRACT

We discuss production and decays of stops, sbottoms, tau-sneutrinos, and staus in $e^+e^-$ annihilation in the energy range $\sqrt{s} = 0.5-1$ TeV. We present numerical predictions within the Minimal Supersymmetric Standard Model for cross sections and decay rates, including one-loop radiative corrections as well as initial state radiation. We also study the importance of beam polarization for the determination of the underlying SUSY parameters. Moreover, we make a comparison of the potential to study squarks and sleptons of the 3rd generation between Tevatron, LHC, and Linear Collider.

研究动机与目标

• 评估在√s = 0.5–1 TeV的e⁺e⁻直线对撞机上，第三代表超费米子——停止、smuon、超tau子和tau中微子——的发现潜力与精确测量能力。
• 评估束流极化对超费米子混合角敏感度及质量本征态（˜f₁与˜f₂）分离能力的影响。
• 比较e⁺e⁻直线对撞机与Tevatron和LHC在探测轻停止与staus方面的探测能力，特别是在具有挑战性的参数区域。
• 量化通过截面与分支比测量，在直线对撞机上对停止扇区软SUSY破缺参数的确定精度。

提出的方法

• 分析基于包含一阶量子修正与初态辐射的最小超对称标准模型（MSSM），用于计算产生截面。
• 通过软SUSY破缺参数（M̃Q, M̃U, M̃D, M̃L, M̃E）、三线耦合（At, Ab, Aτ）与tanβ构建超费米子质量矩阵，并通过2×2矩阵对角化获得混合角。
• 利用极化束流，在树图层次计算e⁺e⁻ → ˜fi ˜f̄j的产生截面，包含γ与Z交换的干涉效应，其依赖于超费米子混合角。
• 计算两体及更高阶衰变的分支比，包括中性子、带电粒子、胶微子以及希格斯/规范玻色子的衰变通道，同时考虑轻量˜t₁的运动学抑制。
• 通过停止混合矩阵的误差估计评估对SUSY参数的敏感度，结果表明束流极化通过增强混合角依赖性显著提升了测量精度。
• 对直线对撞机、Tevatron与LHC进行对比研究，重点关注m̃t₁ < 250 GeV与高tanβ情形下staus的探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 0.5–1 TeV的e⁺e⁻直线对撞机上，能否探测到LHC与Tevatron难以发现的轻量停止（m̃t₁ < 250 GeV）？
• RQ2 束流极化如何增强对超费米子混合角的敏感度，并改善˜f₁与˜f₂质量本征态的分离？
• RQ3 第三代表超费米子的主要衰变模式是什么？分支比如何依赖于混合角与SUSY参数？
• RQ4 在直线对撞机上，对停止扇区软SUSY破缺参数的确定精度能达到何种程度？
• RQ5 在MSSM的哪些参数区域中，staus与轻量停止在强子对撞机中不可见，但在e⁺e⁻对撞机中可被探测到？

主要发现

• 停止与smuon对的产生截面强烈依赖于超费米子混合角，这是由于γ与Z交换之间的破坏性干涉所致，特定混合角处出现特征性极小值。
• 束流极化显著增强了对超费米子混合参数的敏感度：可选择性增强˜f₂对的产生，同时抑制˜f₁对的产生，或反之，从而改善质量本征态的分离。
• 对于m̃t₁ < 250 GeV，LHC与Tevatron在探测停止时面临严重挑战，主要由于t¯t背景过强及运动学抑制；在√s = 500 GeV的直线对撞机上，可作为此类轻量停止的发现工具。
• 只有在tanβ > 10且中性子/带电粒子衰变为staus的分支比较大时，LHC才能探测到staus；否则，它们将保持不可见。
• 在直线对撞机上，停止混合矩阵参数的精度可达到百分之几，表明其具备高精度测定软SUSY破缺参数的潜力。
• 当所有两体衰变均被运动学禁止时，最轻停止（˜t₁）的高阶衰变成为主导，导致涉及规范玻色子或希格斯玻色子的复杂级联衰变。