[论文解读] What pp SUSY limits mean for future e$^+$e$^-$ colliders

M. Berggren|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 10

一句话总结

本文评估了未来强子对撞机（如FCChh）在排除或发现具有次轻量超对称粒子（NLSP）的超对称（SUSY）模型方面的能力，重点关注电弱费米子型NLSP。研究发现，尽管未来pp对撞机具有广泛的发现潜力，但其排除能力有限——尤其在LSP与NLSP质量差较小的压缩SUSY情形下，而e⁺e⁻对撞机则可在所有情况下保证排除或发现直至动力学极限的模型。

ABSTRACT

It is well-known that e$^+$e$^-$ colliders have the power to with certainty exclude or discover any SUSY model that predicts a Next to lightest SUSY particle (an NLSP) that has a mass up to slightly below the half the centre-of-mass energy of the collider. Here, we present an estimation of the power of present and future hadron colliders to extend the reach of searches for SUSY, with particular emphasis whether it can be claimed that either discovery or exclusion is guaranteed in a region of LSP and NLSP masses - no set of values of the other SUSY could change the conclusion. A scan over SUSY parameter space was done, only requiring that the NLSP was a bosino - the hardest case - with mass not larger than a few TeV. The mass-spectrum, cross-sections and decay branching ratios found in this region were confronted with projections of sensitivity at future hadron colliders. In our conclusions we weigh in the maturity of the analysis the projections are based upon. The conclusion is that although future hadron colliders have a large discovery-reach, i.e. potential to discover some SUSY model, hardly any models with low-to-medium LSP-NLSP mass-differences can be excluded with certainty. The models that are expected to be excluded/discovered are, on one hand, those with mass-differences larger than those allowed by models with GUT-scale $M_1$-$M_2$ unification, and on the other hand, a tiny region where the mass-difference is so small that the NLSP decays in the tracking volume of the detectors. Excluding the latter possibility does not, however, allow to exclude the possibility of a Wino or Higgsino LSP: at any value of the LSP mass, we could identify models where the NLSP lifetime would be too short for a signal to be seen.

研究动机与目标

• 评估未来强子对撞机是否能保证排除或发现所有具有轻量NLSP的SUSY模型，特别是压缩情形下的模型。
• 评估当前对未来pp对撞机（如FCChh）的投影在覆盖SUSY参数空间全谱方面的稳健性。
• 比较未来e⁺e⁻对撞机与pp对撞机在LSP-NLSP质量差较小这一挑战性区域的排除能力。
• 识别当前分析方法论中的漏洞，这些漏洞可能导致pp对撞机的排除能力估计过于乐观。
• 确定在GUT尺度M1-M2统一或NLSP寿命极短的模型中，未来强子对撞机是否能可靠地排除这些模型。

提出的方法

• 在MSSM参数空间中进行扫描，以µ、M1和M2为自由参数，重点关注质量达数TeV的电弱费米子型NLSP。
• 使用谱计算器计算所扫描模型的质量谱、衰变分支比和产生截面。
• 将所得SUSY信号与未来pp对撞机（如FCChh）和e⁺e⁻对撞机（如ILC）的预期灵敏度进行比较。
• 评估分析投影的成熟度，区分完全模拟、快速模拟和参数化研究。
• 评估多种搜索方法：缺失横向动量（MET）、软轻子、消失轨迹和单X信号。
• 根据假设的现实性加权结果，特别是关于NLSP寿命和SUSY领域中混合效应的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来pp对撞机能否保证排除所有具有轻量NLSP的SUSY模型，特别是在压缩Higgsino和Wino区域？
• RQ2 在模型无关极限的背景下，未来pp对撞机的排除能力与未来e⁺e⁻对撞机相比如何？
• RQ3 当前pp对撞机分析投影在多大程度上因对NLSP衰变和探测器性能的过于乐观假设而高估了排除能力？
• RQ4 NLSP寿命和混合效应在多大程度上削弱了pp对撞机中消失轨迹和软轻子搜索的灵敏度？
• RQ5 是否存在当前或预期的搜索策略尚未覆盖的LSP-NLSP质量差参数空间显著区域？

主要发现

• 未来pp对撞机在SUSY发现方面具有广泛潜力，但其排除能力有限——尤其在LSP-NLSP质量差较小时。
• 质量差低于约3–4 GeV的模型（NLSP在探测器体积内衰变）仅能通过消失轨迹技术在极小区域内被排除。
• 软轻子技术可探测至几GeV的质量差，但其在FCChh中的覆盖范围相比LHC受限，因轻子识别存在挑战。
• 单X技术尚未得到充分评估，尚不足以得出结论，且目前未被ATLAS或CMS的SUSY搜索所采用。
• 对于M1-M2在GUT尺度统一的模型，未来pp对撞机无法排除压缩SUSY谱的可能性，导致显著区域未被覆盖。
• 相比之下，未来e⁺e⁻对撞机（如ILC）可保证排除或发现任何NLSP质量低于动力学极限几GeV以内的SUSY模型，无论LSP-NLSP质量差如何。