Gauge Mediation at Early Stage LHC
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- あけなお いいはた
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1 白井智 (University of Tokyo)
2 Plan 1. SUSY Standard Model と Mediation 機構 2. Gauge Mediation のシグナル 3. Low Scale Gauge Mediation と LHC
3 1. SUSY Standard Model と Mediation 機構
4 Supersymmetry Fermion SUSY Boson Hierarchy Problem Coupling Unification Dark Matter
5 Minimal SUSY Standard Model (MSSM) Standard Model (SM) Lepton Quark Gauge boson Scalar Higgs
6 Minimal SUSY Standard Model (MSSM) Standard Model (SM) Lepton Quark Gauge boson Scalar Higgs SUSY breaking SUSY Partner Scalar Lepton Scalar Quark Gaugino Higgsino Gets heavy.
7 Weak Scale SUSY Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter
8 Weak Scale SUSY Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter
9 Weak Scale SUSY Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter
10 Event Topology at LHC P P
11 Event Topology at LHC P P Jets Missing
12 Weak Scale SUSY Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter
13 SUSY は良いところだけではない
14 SSM の利点と問題点 利点 Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter
15 SSM の利点と問題点 利点 問題点 Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter Flavor/CP Problem Cosmological Gravitino Problem UV completion
16 SSM の利点と問題点 利点 問題点 Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter Flavor/CP Problem Cosmological Gravitino Problem UV completion Gravitino が大きな役割を果たす
17 Gravitino (Local) SUSY Gravitino SUSY breaking : SUSY breaking scale.
18 Gravitino と Flavor/CP Problem SUGRA を考えると以下のような higher dimensional operator が存在する : SUSY breaking field : MSSM field
19 Gravitino と Flavor/CP Problem SUGRA を考えると以下のような higher dimensional operator が存在する : SUSY breaking field : MSSM field のような gravity mediation に現れる soft mass が生成される
20 Gravitino と Flavor/CP Problem 2 SUGRA を考えると以下のような higher dimensional operator が存在する : SUSY breaking field 一般には : MSSM field のような Flavor を破るような寄不が存在する
21 Gravitino と Flavor/CP Problem 2 SUGRA を考えると以下のような higher dimensional operator が存在する : SUSY breaking field 一般には : MSSM field のような Flavor を破るような寄不が存在する
22 Gravitino と Flavor/CP Problem 2 SUGRA を考えると以下のような higher dimensional operator が存在する Gravitinoを軽くする or : MSSM field SUSY scaleを上げる or このような項を禁止する機構やfine-tuningが必要 一般には のような Flavor を破るような寄不が存在する : SUSY breaking field
23 Gravitino と宇宙 Gravitino は宇宙の発展史に ( 余計な ) 影響を不える Gravitino の性質や存在量を考える必要あり
24 Gravitino と宇宙 Gravitino は宇宙の発展史に ( 余計な ) 影響を不える Gravitino の性質や存在量を考える必要あり 主に質量 宇宙の詳細な歴史インフレーション模型など
25 Gravitino の質量と性質 Case I : Heavy Gravitino >O(100) GeV 丌安定. Strength of interaction Case II : Light Gravitino 安定. 暗黒物質の候補? Strength of interaction
26 Gravitino の質量と性質 Case I : Heavy Gravitino >O(100) GeV 丌安定. Strength of interaction Case II : Light Gravitino 安定. 暗黒物質の候補? Strength of interaction 質量が軽いと相互作用が強い
27 Gravitino production Inflation BBN... Now Energy Time
28 Gravitino production Inflation Gravitino production BBN... Now Energy Time 熱散乱 SUSY 粒子の崩壊 Inflaton などの hidden field からの生成
29 Gravitino production Inflation Gravitino production BBN... Now Energy Time 熱散乱 SUSY 粒子の崩壊 Inflaton などの hidden field からの生成 Gravitino Problem
30 Gravitino Problem 1. Heavy case Unstable. Spoilage of BBN. 2. Light case Stable. Overclosure of Universe.
31 Gravitino Mass と諸問題 Cosmology Flavor Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation
32 Gravitino Mass と諸問題 Gravitinoの寿命が短いので生成されても問題を起こさない Cosmology Flavor Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation
33 Massと諸問題 Gravitinoのエネルギー 密度が小さいので問題ない Gravitinoの寿命が短いので生成されても問題を起こさない Cosmology Flavor Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation
34 Gravitino Mass と諸問題 Cosmology Flavor Low scale Gauge Mediation Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation
35 Gravity Mediation 利点 問題点 Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter Flavor/CP Problem Cosmological Gravitino Problem UV completion
36 Anomaly Mediation 利点 問題点 Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter Flavor/CP Problem Cosmological Gravitino Problem UV completion
37 Gauge Mediation 利点 問題点 Hierarchy Problem GUT Unification Predictable Dark Matter Flavor/CP Problem Cosmological Gravitino Problem UV completion
38 Gravitino Mass と諸問題 Low scale Gauge Mediation Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation Hierarchy GUT Dark Matter Cosmology Flavor UV
39 Gravitino Mass と諸問題 Low scale Gauge Mediation Gauge Mediation LHC signal はだいたい同じ Gravity Mediation Anomaly Mediation Hierarchy GUT Dark Matter Cosmology Flavor UV
40 Gravitino Mass と諸問題 Hierarchy GUT Dark Matter Low scale Gauge Mediation [Asai,Moroi,Yanagida: 08] [Asai,Azuma,Jinnouchi,Moroi,SS,Yanagida:08] 統計がたまればWino Co-NLSPのt ラックが見え LHC signalはだいたい同じるかも Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation Cosmology Flavor UV
41 Gravitino Mass と諸問題 変な LHC signal を出す可能性 Low scale Gauge Mediation Gauge Mediation Gravity Mediation Anomaly Mediation Hierarchy GUT Dark Matter Cosmology Flavor UV
42 2. Gauge Mediation のシグナル
43 Minimal GMSB Hidden Messenger SM gauge interaction MSSM
44 Minimal GMSB
45 Mass Spectrum Bino は vlsp (visible LSP) である必要はない Mass NLSP
46 Mass Spectrum Bino は vlsp (visible LSP) である必要はない 多くの模型ではどちらかが NLSP Mass NLSP
47 GMSB での Event Topology P P Bino NLSP
48 GMSB での Event Topology P P Slepton NLSP いずれにせよ NLSP にいったん落ちる
49 NLSP Decay Detector の外まで長生き Detector 内で崩壊
50 NLSP の崩壊の観測 測定についてみる In-flight decay などが見つかれば BSM の最も直接的証拠 寿命が測ることができればグラビティーノの質量が分かる
51 Lifetime とシグナル Case I: short lifetime detector size Case II: semi-long lifetime Case III: long lifetime
52 崩壊長が短いとき Case I: short lifetime detector Decay length Beam
53 崩壊長が短いときの方法 Case I: short lifetime B-taggingのようにdisplaced vertexを見る 内部飛跡検出器を利用 Decay product に荷電粒子が必要 EM Cal NLSP が荷電粒子である必要あり Decay product はなんでも OK Non-pointing photon とかも OK
54 崩壊長が detector より大きめの時 Case II: semi-long lifetime [Ishiwata, Ito, Moroi: 08] Beam
55 崩壊長が detector より大きめの時 [Ishiwata, Ito, Moroi: 08] Case II: semi-long lifetime Almost all NLSPs escape Beam
56 崩壊長が detector より大きめの時 [Ishiwata, Ito, Moroi: 08] Case II: semi-long lifetime Almost all NLSPs escape Beam 一部の崩壊は detector 内でも起きうる
57 崩壊長が detector より大きめの時 [Ishiwata, Ito, Moroi: 08] Case II: semi-long lifetime Almost all NLSPs escape Beam 一部の崩壊は detector 内でも起きうる
58 崩壊長が detector よりずっと大きい時 Case III: long lifetime Beam Bino NLSP の場合は missing energy にしか見えない Slepton NLSP の場合は massive charged track が見える
59 Stopped Slepton Detector as stopper [Asai,Hamaguchi,SS:09] For ATLAS HCAL Barrel 1440 mm Fe Endcap 1400 mm Cu
60 Stopped Slepton Detector as stopper [Asai,Hamaguchi,SS:09] For ATLAS HCAL Stop Barrel 1440 mm Fe Endcap 1400 mm Cu
61 Stopped Slepton Detector as stopper [Asai,Hamaguchi,SS:09] For ATLAS HCAL Stop Barrel 1440 mm Fe Endcap 1400 mm Cu
62 Observation of Late-time Decay Slepton Production Trapped in Detector Time
63 Observation of Late-time Decay Slepton Production Trapped in Detector Decay Time Lifetime Measurement is Possible
64 Long-lived Slepton で色々 ( 宣伝 ) 1. long-lived Slepton を使うと他の SUSY 粒子の性質も調べられる 詳細については藺藤さんのポスター発表で 2. Slepton が long-lived になるのは Gravitino LSP の場合以外にも R-parity violation 模型における Slepton LSP Slepton co-nlsp などがある これらの区別については中路さんポスター発表にて
65 ここまでのまとめ Gauge Mediation では Slepton や Bino が Long-lived になることがある 多くの場合 SM や conventional SUSY model にはないような特徴的シグナルをだす Long-lived slepton の場合は SUSY event が数個あれば見えるはず 統計がたまれば 寿命などの情報も得ることができる
66 ここまでのまとめ Gauge Mediation では Slepton や Bino が Long-lived になることがある 多くの場合 SM や conventional SUSY model にはないような特徴的シグナルをだす Long-lived slepton の場合は SUSY event が数個あれば見えるはず 統計がたまれば 寿命などの情報も得ることができる
67 ここまでのまとめ Gauge Mediation では Slepton や Bino が Long-lived になることがある 多くの場合 SM や conventional SUSY model にはないような特徴的シグナルをだす Long-lived slepton の場合は SUSY event が数個あれば見えるはず 統計がたまれば 寿命などの情報も得ることができる
68 GMSB での SUSY 粒子の質量 GMSB には Gravity Mediation にあるような SUSY scale を決めるような 定量的な 基準がない しかし Gravitino mass に対する Soft Mass の upper bound は存在するかも Low scale GMSB の場合 ちょうど LHC の手が届きそう
69 Low energy gauge mediation と LHC
70 Gravitino LSP at LHC All MSSM particles decay inside of detector.
71 SUSY Particles decays Mass
72 Decay Chain (Bino NLSP) P P Photon + Missing Energy ほとんどバックグランドなし
73 Decay Chain (Slepton NLSP) P P Lepton + Missing Energy バックグランドは少ない
74 宣伝 2 P P Lepton + Missing Energy バックグランドは少ない
75 宣伝 2 SUGRAでも似たようなシグナルがある. これらのモデルの区別をearly stageでどこまでできるかについては中村さんのtalkにて P P Lepton + Missing Energy バックグランドは少ない
76 次に Gauge Mediation での soft mass の上限を見る
77 Minimal GMSB Hidden Messenger SM gauge interaction MSSM
78 Minimal GMSB
79 Minimal GMSB Messenger scalar がタキオンにならないため Landau pole を避けるため
80 Minimal GMSB SM gauge coupling flow Messenger scalar がタキオンにならないため Landau pole を避けるため
81 Minimal GMSB Messenger Yukawa coupling flow Messenger scalar がタキオンにならないため Landau pole を避けるため
82 Minimal GMSB Messenger scalar がタキオンにならないため Landau pole を避けるため
83 Minimal GMSB 真空の安定性という条件を加えるともっと厳しくなる
84 Vacuum of Minimal GMSB (Low-energy effective)
85 Vacuum of Minimal GMSB Including interaction with messengers (Low-energy effective)
86 Vacuum of Minimal GMSB Including interaction with messengers (Low-energy effective) F-term condition satisfied SUSY breaking vacuum は安定でない
87 真空の不安定 Metastable だけど宇宙年齢より長生きの真空を求める SUSY breaking の真空が完全に安定な模型を考える
88 準安定真空 ver [Hisano, Nagai, Senami, Sugiyama: 07] [Hisano, Nagai, Sugiyama, Yanagida: 08] Messenger の質量を上げれば 真空の寿命が延びる Soft Mass が下がる
89 LHC Reach (Metastable messenger scale
90 LHC Reach (Metastable messenger scale
91 LHC Reach (Metastable messenger scale Minimal GMSB のパラメータ Minimal GMSB with sufficient stability m32< 16 ev のパラメータ
92 LHC Reach (Metastable ver.) Multi-lepton mode Photon messenger scale Minimal GMSB のパラメータ Minimal GMSB with sufficient stability m32< 16 ev のパラメータ
93 LHC Reach (Metastable ver.) Multi-lepton mode Photon messenger scale Minimal GMSB のパラメータ Minimal GMSB with sufficient stability m32< 16 ev のパラメータ
94 真空の不安定 Metastable だけど宇宙年齢より長生きの真空を求める SUSY breaking の真空が完全に安定な模型を考える
95 真空の不安定 Metastable だけど宇宙年齢より長生きの真空を求める SUSY breaking の真空が完全に安定な模型を考える
96 Stable GMSB Hidden Messenger SM gauge interaction MSSM
97 Stable GMSB Hidden Hidden Gauge interaction e.g. semi-direct GMSB [N. Seiberg, et.al., 08] Messenger SM gauge interaction MSSM
98 Stable GMSB Hidden Hidden Gauge interaction e.g. semi-direct GMSB [N. Seiberg, et.al., 08] Messenger Flavor Structure e.g. direct GMSB [K. I. Izawa, et.al., 97] SM gauge interaction MSSM
99 Mass Spectrum (Stable ver.)
100 Mass Spectrum (Stable ver.)
101 Mass Spectrum (Stable ver.) F-term gauge mediation with stable vacuum Messengers have only mass term in superpotential e.g. direct GMSB e.g. semi-direct GMSB
102 Mass Spectrum (Stable ver.) F-term gauge mediation with stable vacuum Messengers have only mass term in superpotential e.g. direct GMSB e.g. semi-direct GMSB
103 Mass Spectrum (Stable ver.) F-term gauge mediation with stable vacuum Messengers have only mass term in superpotential 非常に厳しい質量上限 [Sato,Yonekura: 09] e.g. direct GMSB e.g. semi-direct GMSB Perturbative なパラメータでは low scale GMSB を実現するのは非常に難しい [SS, Yamazaki,Yonekura: 10]
104 Mass Spectrum (Stable ver.) Suppression on gaugino mass
105 LHC Reach (Stable ver.) LHC physics は gaugino で支配される [Sato,SS: 10] 7 TeV での発見可能領域 宇宙論的に興味深い 16 ev より軽いグラビティーノは現時点でもほぼ exclude. より重たい場合でも今年中に十分発見できる.
106 まとめ Gravity Mediation だけではなく Gauge Mediation も十分に motivation のある模型である. Gauge Mediation で出てくる long-lived particle は SM にはない もっとも convincing な BSM のシグナルである. Cosmology から好まれる low scale gauge mediation には MSSM 粒子の質量に強い上限がつく. さらに信号も特徴的なので早い段階で見つかるはず.
宇宙の背景輻射 現在 150億年 50億年 星や銀河の 形成 自然界には4つの力 3つの分岐点が今回のシリーズの目標 3K LHC温度 1016K (10-12 ~ 10-14s) 10億年 (2) GUTへの挑戦 超対称性による大統一 3000K 30万年 原子 分子の形成 3分 原子核の形成 10-10 秒 弱い相互作用が分離 3つの力が分離する 量子重力の世界 10-34 秒 10-43 秒
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