[论文解读] SUSY model and dark matter determination in the compressed-spectrum region at the ILC

M. Berggren|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文表明，国际线性对撞机（ILC）能够精确测量压缩型超对称（SUSY）谱中的超对称粒子质量与混合参数，特别是右手上行轻子（˜τ₁）和中性子（˜χ⁰₁），实现千分之一量级的质量分辨率和百分之一量级的混合精度。这些测量可实现与普朗克宇宙学数据相当的暗物质遗迹密度直接测定，从而确认轻型超对称粒子（LSP）是否为暗物质的主要组分。

ABSTRACT

It is an appealing possibility that the observed dark matter density in the universe can be fully explained by SUSY. The current experimental knowledge indicates that this possibility strongly favors a co-annihilation scenario. In such scenarios, the mass difference between the next-to-lightest SUSY particle (the NLSP) and the lightest one (the LSP) is quite small, which assures that the annihilation cross-section is sufficient not to predict a too large abundance of dark matter. However, the small mass difference also means that observing SUSY becomes hard at hadron colliders, where the observation hinges on the tell-tale signature of missing transverse energy: if the mass difference NLSP-to-LSP is small, only little energy is carried away by the invisible LSP. This is also true even if several other SUSY particles are within the kinematic reach, since these states would to a large extent decay via cascades ending with an NLSP to LSP decay. A lepton collider does not have this problem. The clean environment and known initial state at such machines assures that SUSY can be detected even if the mass difference is very small, provided the center-of-mass energy is sufficiently high. We present prospects for observation and precision characterization of SUSY with small mass differences at the ILC, based on detailed simulations of the ILD detector concept. The resulting possibility to predict the dark matter relic density is evaluated and compared to the precision obtained from the Planck mission. Taking a specific model as an example, we also discuss the synergies from combining ILC and HL-LHC results.

研究动机与目标

• 评估在ILC上探测并精确测量质量分裂极小的超对称粒子的可行性。
• 评估ILC是否能够以与普朗克卫星测量相当的精度确定暗物质遗迹密度。
• 研究ILC与HL-LHC结果在识别和表征由共湮灭驱动的SUSY模型方面的协同效应。
• 确定为匹配普朗克测定的暗物质密度2%不确定度，所需的质量与混合参数实验精度。

提出的方法

• 利用ILC上ILD探测器概念的详细模拟，研究在√s = 500 GeV能量下使用极化束流（P(e⁻,e⁺) = -80%, +30%）的e⁺e⁻碰撞。
• 通过轻子与τ喷注能量谱的运动学端点拟合方法，高精度提取LSP（˜χ⁰₁）与NLSP（˜eR, ˜µR, ˜τ₁）的质量。
• 采用先进的事件选择技术，包括“标记与探测”方法、束流极化依赖性分析，以及通过可见能量、缺失横向动量和事件拓扑结构的切割实现背景抑制。
• 应用基于似然的γγ背景排斥方法，并要求缺失动量集中在中心区域，以提升˜τ₁末态的信号纯度。
• 使用micrOMEGAs模拟遗迹密度预测，并与普朗克的ΩCDM = 0.1197 ± 0.0022对比，以确定所需测量精度。
• 结合多个末态（e⁺e⁻, μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻）以提高LSP与NLSP质量及混合参数的统计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC是否能在压缩谱中实现对最轻超对称粒子（LSP）与次轻超对称粒子（NLSP）的千分之一量级质量分辨率？
• RQ2 ILC在多大程度上能以足够精度测量LSP与NLSP的混合参数，以复现观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ3 ILC对LSP与NLSP质量及混合参数的精确测量，与普朗克测定的暗物质密度2%不确定度相比如何？
• RQ4 ILC与HL-LHC在识别和表征质量分裂极小的共湮灭驱动型SUSY模型方面有何协同效应？
• RQ5 ILC能否基于质量与混合角的精确测量，区分不同共湮灭场景（如˜τ₁, ˜t₁, ˜χ±₁）？

主要发现

• LSP质量（˜χ⁰₁）的测量精度为σM˜χ⁰₁ = 147 MeV，相当于LSP质量的1.54 × 10⁻³（略高于千分之一）。
• 在假设LSP质量不确定度为100 MeV的前提下，右手上行轻子（˜τ₁）质量的确定精度为200 MeV，达到略优于千分之一的分辨率。
• 电子-电子（˜eR）与缪子-电子（˜µR）末态的LSP与NLSP质量测量结果一致，其中˜eR的不确定度为0.16 GeV与0.21 GeV，˜µR的不确定度为0.38 GeV与0.51 GeV。
• 在严格背景抑制后，˜τ₁对产生选择效率为17%，包括对可见能量（<120 GeV）、缺失质量（>250 GeV）和事件拓扑结构的切割。
• τ喷注能量谱端点测量值为Eendpoint = 44.49+0.11−0.09 GeV，使˜τ₁质量的不确定度达到200 MeV。
• 研究表明，混合参数（如˜τ混合角、LSP双子性）可实现百分之一量级的测量精度，足以匹配普朗克测定的暗物质密度2%不确定度。