長生き粒子と新物理探索
Satoshi Shirai (Kavli IPMU)

1. 身近な長生き粒子
標準模型における具体例
長生き粒子の探査、観測は何をもたらすか？

2. 新物理における長生き粒子
Minimal dark matter
SUSYCoannihlation dark matter

3. まとめ2長生き粒子3

長生き@Collider• 加速器実験でtrackやvertexの変位が見える• おおよそO(10)μm程度以上のdecay length4粒子の寿命崩壊率

典型的には崩壊長 = 1/崩壊率
普通はとても短命なように思える5

長生きするために長生き粒子は何か特殊なことを意味している

限られたチャンネル： 何らかの対称性
弱い結合：近似的な対称性や高エネルギーの物理起源
小さな質量次元: 娘粒子との質量の縮退6標準模型の場合

7安定粒子
何らかの対称性をもっている

保存則

• 陽子
●

バリオン数を持つ中で最も軽い• 電子●

QED電荷を持つ中で最も軽い• ニュートリノ●フェルミオン数、レプトン数を持つ中で最も軽い

8

準安定粒子: muon
質量: 105 MeV, 寿命: 2.2 μs, 崩壊長: 660 m

弱い力: 高エネルギーの物理9準安定粒子: 中性子
質量: 939.56 MeV, 寿命: 886 s, 崩壊長: 1011 m

弱い力: 高エネルギーの物理
質量の縮退: mp =938.27 MeV, mn – mp – me= 0.8 MeV

10準安定粒子: 中性子
中性子の寿命や質量
ビッグバン元素合成期の中性子の存在量
元素の存在量11

準安定粒子: 中性子
質量の縮退?
up: 2-3 MeV, down 4-6 MeV

近似的SU(2)対称性： isospin対称性が説明？

小さな質量差は安定な原子核に不可欠: 人間原理?

12長寿命粒子• K meson, charm meson, bottom meson●
弱い相互作用で崩壊●Flavor symmetry
●
CP対称性

13

長寿命粒子• 弱い結合
高エネルギーの物理●対称性（の破れ）●…
●• 質量の縮退対称性●
単なる偶然？
●…
●• 観測がしやすい14

新物理における長生き粒子

15標準模型の拡張•暗黒物質•バリオン数の起源
•量子重力
•宇宙項
•階層性問題•U(1)量子化•Strong CP問題
•フレーバ問題•….

e.g.,
Minimal dark matter
超対称性…

16

Minimal Dark Matter17

いろんな候補• Axion• (Primordial) Black hole
• WIMP• Others…

18

WIMP Dark Matter
Weakly Interacting Massive Particle

19

WIMP Dark Matter
Weakly Interacting Massive Particle~電弱程度~100 GeV – 10 TeV

20

WIMP Miracle
熱的残存量(thermal relic density)の近似式

だとちょうどよい量21Minimal Dark Matter
ElectroWeakly Interacting Massive Particle=電弱相互作用~100 GeV – 10 TeV

22

Gauge interacting DM
DMのゲージ相互作用 SU(2)xU(1)のチャージで決まる

SU(2)U(1)Yn10234Cwino

C

1/2Chiggsino C

1CC

3/2

CCC

2CC

C

C…

CC

C

C…

CC

23

Wino• Majorana fermion• Hypercharge Y=0• SU(2) triplet

24

Wino Spectrum
放射補正

荷電粒子が少しだけ重い[Ibe,Matsumoto,Sato 12]25

加速器でのシグナルp
荷電トラック+Missing energypO(1-10)cm

26

LHCでの制限

Wino 430 GeVまで排除

27

Tracking @ Run1
8 TeV selection
108cmTRT(Transition Radiation)
SCT(Semiconductor)

51 cm

55 cm

30 cm

Four layer hits
Pixel

12 cm
5 cm

28

Tracking @ Run2108cm
TRT(Transition Radiation)
SCT(Semiconductor)

Pixel
IBL
(Insertable B-Layer)

51 cm

55 cm

30 cm

12 cm
5 cm
3 cm

* CMS installed similar module29

Tracking @ Run2
108cm
TRT(Transition Radiation)
SCT(Semiconductor)

Pixel
IBL
(Insertable B-Layer)

51 cm

55 cm

30 cm

12 cm
5 cm
3 cm

30

他の場合

[Fukuda Kobayashi, Nagata, Otono, SS, 17]

SU(2)
U(1)

Yn102

34

5C~5 cm

C~ 2 cm

1/2C~1 cm

C~ 1mmC

1C

C~1 mmC...

3/2CCC~0.1mm

...

2CCC

C...

…

CC

CC…

31

Current Constraint(wino)

30cm

3 cm
Higgsino32

Tracking shorter
108cm
TRT(Transition Radiation)
SCT(Semiconductor)

Pixel
IBL
(Insertable B-Layer)

51 cm

55 cm

30 cm

12 cm
5 cm
3 cm

Three hits

33Tracking shorter
108cm
TRT(Transition Radiation)
SCT(Semiconductor)

Pixel
IBL
(Insertable B-Layer)

51 cm

55 cm

30 cm

12 cm
5 cm
3 cm

Two layer+
One primary vertex

34

Tracker for Run???
108cm
TRT(Transition Radiation)
SCT(Semiconductor)

PixelIBL(Insertable B-Layer)

51 cm

55 cm

30 cm

12 cm
5 cm
3 cm

35

Prospects for Higgsino
BG=10MET>400 GeV

BG=05 cm MET>600 GeV
3 cm

36

Winoの楽観的な展望• Trackerの向上• Energyの向上• 輝度の向上

3 TeVくらいまでいけるかも37

荷電トラックから得られるもの• 発見能力の向上

バックグランドを減らすのに効果的• 寿命や質量差の測定

暗黒物質の量子数の決定: 暗黒物質残存量38

SUSYの場合

39

超対称標準模型(SUSY)
Standard Model (SM)SUSY Partner

LeptonScalar Lepton

Quark

Scalar Quark

Scalar HiggsHiggsino

Gauge Boson

Gauginogluon
weak boson
photongluinowino
bino
40

対称性
•残っている対称性●R-parityなど• 破れている対称性●SUSY●R-symmetry, PQ-symmetryなど• 近似的対称性●G-parityなど
41

Minimal模型の大雑把な特徴• mSUGRA• Bino or HiggsinoがDM• mAMSB• winoがDM• mGMSB• gravitinoがDM

42

Gravitino LSPMSSMの中のNLSPは安定でない
NLSP → gravitino + SM particle

TOFやstopped Xなどが観測可能
寿命、質量の測定 → Planck scale 測定@加速器[Buchmuller, Hamaguchi, Ratz, Yanagida, 04]43Split SUSY
重いスカラー粒子
Gauginoとくにgluinoが安定化 (G-parity)44Non-pointing シグナル
Conventional mutijets+METは悪くなる

ATLAS-CONF-2014-037
45

Non-pointing シグナル

Displaced vertexを探す解析
ATLAS-CONF-2017-026
46

Meta-stable Gluino

47Coannihilation DM
縮退した質量差によって長寿命になる可能性[Nagata, Otono, SS, 15,17]

48

Mass Spectrum
BSM models may provide several particles in addition to DM.

BSM
sectorExamples:SUSY
DM**
DM*

Neutralino, Chargino, Gluino….
Extra Dimension
KK photon, KK gluon….

DM

Coannihilation
49

Coannihilation 1
簡単のため
DM* (active)
DM (sterile)

DM

SM

DM*SM

DM*

SM<<DMSM50

Coannihilation 2
初期宇宙ではDM <-> DM*の変移は速いDMDM*Thermal Plasma

51

Coannihilation 3SMDM
DM*

DM*DM

SM

初期宇宙ではDM*を介して有効的な対消滅が起きる
52

Coannihilation 4DM abundance v.s. mass difference
DM: 1TeVobserved

53

Coannihilation 5
DM* (active)
DM (sterile)coannihilation に必要なこと• 小さな質量差• Large annihilation of DM*• (“Rapid” DM*<-> DM conversion )54

例1 Bino-Gluino Coannihilation
Dark matter abundance

Observed DM

1 TeV bino

Gluino-bino mass difference55

Bino-Gluino Interaction
gluinobino

Bino-gluino interaction is suppressed by sfermion massLong-lived gluino

Too heavy sfermion prevents coannihilation56縮退は難しいシグナル

57

Prospects

58例2: Bino-Wino Coannihilation
Required mass difference

A few tens of GeV mass diff.
59

Wino Decay (tree)
Small Yukawa
Long-lived neutral wino

Suppressed by Higgsino mass60

Wino Decay

Bino = 400 GeV
Wino = 430 GeVHiggs mass OK

Decay length of neutral wino

61

LHC Signals
qq

bino

binogluonbb

Mass diff. 30 GeV

62

LHC Signals
qqbinopp

binobb63

Coannihilation• 発見能力の向上

バックグランドを減らすのに効果的• 質量差の測定
暗黒物質残存量64他の可能性@SUSY• Coannilation●Stau-binoとかstop-binoでも起きうる• R-parityの破れ●
LSPの崩壊率は大きくない• R-axion from R-symmetryの破れ
軽いGoldstone粒子がlong-lived• Axino (SUSY partner of axion)への崩壊
Gravitino LSPの時に似ている
65

様々な可能性

H. Russell
66

まとめ• 長生き粒子@BSMは自然な予言• 長生き粒子は発見に役立つ• 精密な測定は背後にある対称性や高エネルギーの物理に役立つ• 宇宙論的にも極めて大事• 探査方法はかなりnon-trivial

67

SUSYの破れの大きさとHiggs
1210.0555
125 GeV Higgs OK

TeV以上のSUSYの破れが必要
68

Wino Decay
Prompt charged Wino decay

Displaced neutral Wino decay

69

Mass Spectrum

70

Mass diff and abundance71Constraints

72

Wino DMの(熱的)残存量[Hisano,Matsumoto,Nagai,Seto,Senami,06]

3 TeV以下ならOK73