[论文解读] Prospects for constrained supersymmetry at $\sqrt{s}=33$ TeV and $\sqrt{s}=100$ TeV proton-proton super-colliders

Andrew Fowlie, M. Raidal|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文利用贝叶斯统计方法，基于当前来自LHC、LUX和Planck的实验数据，评估未来质子-质子对撞机（特别是33 TeV的HE-LHC和100 TeV的VLHC）发现约束性最小超对称标准模型（CMSSM）的概率。研究发现，尽管LHC在300 fb⁻¹数据下有15–75%的发现概率，若CMSSM为正确模型，则100 TeV的VLHC将必然发现CMSSM，这是由于希格斯玻色子质量与暗物质遗迹密度的物理约束。

ABSTRACT

Discussions are underway for a high-energy proton-proton collider. Two preliminary ideas are the $\sqrt{s}=33$ TeV HE-LHC and the $\sqrt{s}=100$ TeV VLHC. With Bayesian statistics, we calculate the probabilities that the LHC, HE-LHC and VLHC discover SUSY in the future, assuming that nature is described by the CMSSM and given the experimental data from the LHC, LUX and Planck. We find that the LHC with $300$/fb at $\sqrt{s}=14$ TeV has a $15$-$75%$ probability of discovering SUSY. Should that run fail to discover SUSY, the probability of discovering SUSY with $3000$/fb is merely $1$-$10%$. Were SUSY to remain undetected at the LHC, the HE-LHC would have a $35$-$85%$ probability of discovering SUSY with $3000$/fb. The VLHC, on the other hand, ought to be definitive; the probability of it discovering SUSY, assuming that the CMSSM is the correct model, is $100%$.

研究动机与目标

• 使用贝叶斯推断量化在未来的高能对撞机上发现CMSSM的概率。
• 评估当前实验数据（LHC、LUX、Planck）对超对称发现可能性的影响。
• 确定若LHC未能发现超对称，HE-LHC或VLHC是否能最终检验CMSSM。
• 评估结果在不同先验假设和对撞机性能不确定性下的稳健性。

提出的方法

• 应用贝叶斯统计方法，利用来自LHC、LUX和Planck的实验数据，计算CMSSM参数空间上的后验概率分布。
• 从直接与间接的超对称搜寻、希格斯玻色子质量测量以及暗物质遗迹密度约束中构建似然函数。
• 对CMSSM参数（m₀, m₁/₂, A₀, tanβ）分配先验，分别采用对数和线性形式以检验其敏感性。
• 通过对参数空间进行边缘化，计算在每个对撞机能量与亮度下的发现概率。
• 将发现定义为能够探测与观测到的希格斯玻色子质量及暗物质遗迹密度一致的参数区域。
• 通过改变m₀和m₁/₂的范围来测试对先验范围的敏感性，确认关键结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前数据条件下，LHC在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹下发现CMSSM的概率是多少？
• RQ2 若LHC未能发现超对称，HE-LHC在√s = 33 TeV、3000 fb⁻¹运行时，发现概率如何变化？
• RQ3 若CMSSM为正确模型，VLHC在√s = 100 TeV、3000 fb⁻¹下发现CMSSM的概率是多少？
• RQ4 这些发现概率对CMSSM中软对称性破缺质量的先验选择有多敏感？
• RQ5 希格斯玻色子质量与暗物质遗迹密度的约束在多大程度上决定了未来对撞机的发现前景？

主要发现

• 在当前先验假设下，LHC在√s = 14 TeV、300 fb⁻¹下发现CMSSM的概率为15–75%。
• 若LHC未能发现超对称，HE-LHC在3000 fb⁻¹下发现CMSSM的概率降至仅1–10%。
• 若LHC仍无定论，HE-LHC在3000 fb⁻¹下发现CMSSM的概率为35–85%。
• 在CMSSM为正确模型的假设下，VLHC在3000 fb⁻¹下发现CMSSM的概率为100%。
• VLHC的这一确定性发现概率在不同先验选择下均保持稳健，且与m₀和m₁/₂的具体取值无关。
• 结果主要由希格斯玻色子质量（≈125 GeV）与观测到的暗物质遗迹密度的物理约束所驱动，两者在CMSSM中必须同时满足。