[论文解读] Simply Unnatural Supersymmetry

Nima Arkani–Hamed, A. Gupta+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 163

一句话总结

该论文提出了一种极简的、'极为不自然'的超对称模型，其中 gaugino 质量接近 1 TeV，而标量和 Higgsino 质量则位于 100–1000 TeV 之间，这是由于量子修正的抑制和异常介导的对称性自发破缺所致。该模型保持了 gauge 耦合统一性与暗物质丰度，通过高维算符介导的 gluino 衰变，产生独特的实验信号，如位移顶点和稀有 Higgs/Z 粒子衰变，为大型强子对撞机（LHC）及未来对撞机探测标准模型之外的新物理提供了可检验的路径。

ABSTRACT

The current measurement of the Higgs mass, the ubiquitous nature of loop-suppressed gaugino masses in gravity-mediated supersymmetry breaking, relic dark matter density from $\sim$ TeV mass gauginos, together with the success of supersymmetric gauge coupling unification, suggest that scalar superpartner masses are roughly $m_{sc} \sim$ 100-1000 TeV. Higgsino masses, if not at the Planck scale, should generically appear at the same scale. The gaugino mass contributions from anomaly mediation, with the heavy Higgsino threshold, generally leads to a more compressed spectrum than standard anomaly mediation, while the presence of extra vector-like matter near $m_{sc}$ typically leads to an even more compressed spectrum. Heavy Higgsinos improve gauge coupling unification relative to the MSSM. Heavy scalars suggest new possibilities for flavor physics -- large flavor violations in the soft masses are now allowed, yielding interesting levels for new FCNC's, and re-opening the attractive possibility of a radiatively generated fermion mass hierarchy. Gluinos and binos/winos must decay through higher dimension operators, giving a unique handle on the presence of new physics the scale $m_{sc}$. Gluino decays should be spectacular, for example yielding events with four tops -- at modestly displaced vertices -- and two Higgses plus missing energy. The high scale $m_{sc}$ can also be probed in flavor-violating gluino decays, as well as a specific pattern of gluino branching ratios to the third generation. Finally, with heavy Higgsinos, the dominant decay for neutral winos and binos proceeds via the Higgs $ ilde b o ilde w h$. The heaviness of the Higgsinos can be inferred from the branching ratio for the rare decay $ ilde b o ilde w Z$.

研究动机与目标

• 提出一种极简的、显式微调的超对称模型，无需引入新动力学或复杂模型构建，即可解释观测到的 Higgs 粒子质量（约 125 GeV）和暗物质丰度。
• 通过假设一种'最小分裂'谱系，缓解自然性与 LHC 中未发现新物理之间的矛盾，即标量超对粒子质量较重（100–1000 TeV），而 gaugino 质量保持较轻（约 1 TeV）。
• 在保留 MSSM 的成功特性——gauge 耦合统一性和 WIMP 型暗物质——的同时，允许存在较大的味破坏型软质量项，并通过辐射修正生成费米子质量层次。
• 识别该谱系的可实验检验信号，特别是通过涉及高维算符的 gluino 衰变，产生如位移顶点和稀有 Higgs/Z 粒子衰变等独特末态。

提出的方法

• 采用具有重 Higgsino 的异常介导超对称性破缺（AMSB），导致 wino 和 bino 质量接近 1 TeV 的压缩 gaugino 谱。
• 利用圈修正抑制效应解释 gaugino 质量（约 1 TeV）与标量超对粒子质量（100–1000 TeV）之间的层次差异，后者由圈因子和重 Higgsino 截止能标决定。
• 分析通过高维算符介导的 gluino 衰变链，导致长寿命的 gluino 及其独特末态，如四 tops、两个 Higgs 粒子加缺失能量。
• 评估中性 wino 和 bino 衰变的分支比，特别是稀有衰变模式 $\tilde{b} \to \tilde{w}Z$，以探测 Higgsino 质量尺度。
• 评估味破坏型 gluino 衰变及第三代特异性分支比，作为对 $m_{sc} \sim 100-1000$ TeV 高能尺度物理的间接探针。
• 利用 A-项的缺失和 top 粒子极化测量结果，约束标量质量谱，并检验电弱对称性破缺对修正的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否提出一种极简的、显式微调的超对称模型，在不引入新动力学或复杂模型构建的前提下，解释观测到的 Higgs 粒子质量（约 125 GeV）和暗物质丰度？
• RQ2 在 gaugino 质量约 1 TeV、标量与 Higgsino 质量位于 100–1000 TeV 的'最小分裂'超对称谱系中，其独特的实验信号是什么？
• RQ3 gluino 衰变中的高维算符如何导致如位移顶点、四 tops 或两个 Higgs 粒子加缺失能量等独特末态？
• RQ4 是否可通过稀有衰变模式如 $\tilde{b} \to \tilde{w}Z$ 探测 Higgsino 质量尺度？分支比揭示了哪些关于其基本能标的物理信息？
• RQ5 味破坏型 gluino 衰变及第三代表征分支比在多大程度上可作为 $m_{sc} \sim 100-1000$ TeV 高能尺度物理的间接探针？

主要发现

• 该模型预测一种'最小分裂'谱系，其中 gaugino 质量接近 1 TeV，而标量超对粒子与 Higgsino 质量位于 100–1000 TeV 之间，其原因在于圈修正抑制与异常介导的对称性破缺。
• gluino 衰变通过高维算符进行，产生引人注目的末态，如在中等位移处产生的四 tops、两个 Higgs 粒子加缺失能量，以及稀有 Z 粒子衰变。
• 分支比 $\tilde{b} \to \tilde{w}Z$ 提供了对 Higgsino 质量尺度的直接探测，其衰变速率对重 Higgsino 截止能标敏感。
• 味破坏型 gluino 衰变与第三代表征特异性分支比为 $m_{sc} \sim 100-1000$ TeV 高能尺度物理提供了间接证据。
• 该模型保持了 gauge 耦合统一性与 1–3 TeV 范围内 gaugino 质量下的正确暗物质丰度，与 WIMP 型暗物质一致，同时允许软质量中存在较大的味破坏项。
• 若 Higgs 粒子质量被确认为约 125 GeV，且 LHC 中未观测到新物理信号，该模型提供了一个引人注目的、极简的解释方案，并具有清晰的实验可检验性，尤其体现在 gluino 衰变末态中。