[论文解读] THE SEARCH FOR SUPERSYMMETRY

Howard Baer|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 1995

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 20

一句话总结

本文评估了对撞机实验——LEP II、Tevatron 和 LHC——在最小超引力（SUGRA）模型中的发现潜力，该模型是标准模型的一个物理动机充分的超对称扩展。利用 ISAJET 事件生成器，模拟了各类对撞机中超粒子的产生与衰变，结果表明，只有 LHC 能够明确探测到 TeV 能量尺度的超对称参数空间，特别是胶球子和 squark，而 Tevatron 和 LEP II 受限于能量与亮度，探测能力有限。

ABSTRACT

The minimal supergravity model (SUGRA), with gauge coupling unification and radiative electroweak symmetry breaking, is a well-motivated paradigm for physics Beyond the Standard Model. In this talk, I review the capabilities of various present and future collider experiments to make definitive tests of the SUGRA model, including LEP and LEP II, the Tevatron and its upgrades, and finally the CERN LHC project.

研究动机与目标

• 评估当前及未来对撞机探测最小超引力（SUGRA）模型的能力，该模型是具有规范耦合统一与辐射电弱对称性自发破缺的、物理动机充分的标准模型扩展。
• 确定 LEP II、Tevatron 和 LHC 在 SUGRA 框架下探测超粒子质量与耦合的探测范围。
• 评估关键参数（如 μ 的符号、tanβ 和 A₀）对发现潜力的影响，特别是在干净的三轻子末态与缺失横向动量信号中的表现。
• 量化 Tevatron 和 LEP II 由于能量与亮度限制而难以探测超对称性的局限性，并明确 LHC 在实现确定性发现中的独特作用。
• 比较不同对撞机项目（包括计划中的 TeV* 直线对撞机）在探测 SUGRA 参数空间方面的灵敏度，以及提取精确超粒子质量信息的能力。

提出的方法

• 使用 ISAJET 7.13 事件生成器，模拟 $e^+e^-$、$p\bar{p}$ 和 $pp$ 对撞机中超粒子的产生与衰变，完整包含 SUGRA 参数集：$m_0$、$m_{1/2}$、$A_0$、$\tan\beta$、$\text{sign}(\mu)$ 和 $m_t$。
• 通过从 GUT 能标到弱能标的跑动，应用规范跑动方程，计算低能区的超粒子质量和耦合，确保与规范耦合统一及辐射电弱对称性自发破缺一致。
• 模拟完整的事件链：部分子级 $2\to2$ 过程、包含 QCD 辐射的部分子喷注、强子化、衰变级联以及束流残留效应，实现真实的探测器级事件生成。
• 以 $m_0$ 与 $m_{1/2}$ 平面作为基准参数空间，映射不同对撞机的探测范围，结合 LEP 与 Tevatron 的数据约束及理论可行性（如正确 $Z$ 玻色子质量、LSP 稳定性）。
• 分析关键末态：缺失横向动量 ($E\hskip-1.5ex/_{T}$) + 喷注、二轻子 + $E\hskip-1.5ex/_{T}$ 以及三轻子末态，评估信号与背景比值及运动学探测范围。
• 通过 5σ 显著性阈值与积分亮度（如 Tevatron 为 1 fb⁻¹，LHC 为 100 fb⁻¹）量化探测范围，结果以质量探测范围表格与排除图形式呈现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量与亮度限制下，LEP II 和 Tevatron 能探测 SUGRA 参数空间（$m_0$, $m_{1/2}$）的哪些区域？
• RQ2 Higgsino 质量参数 $\mu$ 的符号如何影响通过干净三轻子末态探测 chargino 与 neutralino 的发现潜力？
• RQ3 在 $E\hskip-1.5ex/_{T}$ + 喷注末态中，LHC 能探测到的最大胶球子质量 ($m_{\tilde{g}}$) 是多少？其与 squark 与胶球子质量比的关系如何？
• RQ4 Tevatron 或 LHC 能否探测 selectron 与 top squark？这些粒子的主要衰变通道与可观测末态是什么？
• RQ5 在探测 SUGRA 模型方面，LHC 的探测范围与 TeV* 直线对撞机相比如何，特别是在质量分辨率与参数提取能力方面？

主要发现

• 由于升级后的能量达到 $\sqrt{s} = 150-190$ GeV，LEP II 预计可探测 selectron、chargino 与 squark 的质量上限约为 90 GeV，且可探测到约 90 GeV 的轻希格斯玻色子。
• Tevatron 的 Minimal Ionization（MI）项目在 $\mu < 0$ 条件下，可探测到胶球子质量高达 $m_{\tilde{g}} \sim 450$ GeV（当 $m_0$ 较小时），或 $m_{\tilde{g}} \sim 215-270$ GeV（当 $m_0$ 较大时）；但当 $\mu > 0$ 时，由于 $\tilde{Z}_2 \to \ell\bar{\ell}\tilde{Z}_1$ 衰变中的干涉效应，探测范围会完全崩溃。
• 与 Tevatron 相比，TeV* 直线对撞机预计具有显著更大的探测范围，当 $m_0$ 较小时可探测到 $m_{\tilde{g}} \sim 700$ GeV，当 $m_0$ 较大时可探测到 $m_{\tilde{g}} \sim 500$ GeV，前提是 $\mu < 0$。
• LHC 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 且积分亮度为 $10^3$ 至 $10^5$ pb⁻¹ 的条件下，可通过 $E\hskip-1.5ex/_{T}$ + 喷注末态探测到 $m_{\tilde{q}} = m_{\tilde{g}}$ 情况下高达 2.3 TeV 的胶球子质量，而在 $m_{\tilde{q}} = 2m_{\tilde{g}}$ 的情形下，探测上限为 1.6 TeV。
• LHC 还可通过二轻子 + $E\hskip-1.5ex/_{T}$ 末态探测到高达 $m_{\tilde{\ell}} \sim 250$ GeV 的 selectron 质量，但其在三轻子末态中的探测范围受限于 $\mu > 0$ 时 $\tilde{Z}_2 \to \tilde{Z}_1 H_\ell$ 衰变模式。
• LHC 是目前唯一被批准的设施，能够对整个 SUGRA 参数空间中的 TeV 能量尺度超对称性实现确定性探测，尤其在结合精确质量重建技术后，可将 $m_{\tilde{g}}$ 测量精度达到 15–25%。