大型强子对撞机上超对称模型的唯象学研究

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寻找超出标准模型新物理是当前正在运行的大型强子对撞机的重要任务之一。本文主要从唯象学的角度研究当前实验限制对超对称模型的影响。通过不同的分析方法,研究了超对称模型在各种各样实验限制下的现状,包括:  受限最小超对称模型(Constrained Minimal Supersymmetric Standard Model)。利用全局拟合的方法得到受限最小超对称模型在当前实验限制下倾向的参数空间,分析了13TeV LHC直接寻找超对称实验和暗物质直接寻找实验LUXRun-3和-4阶段的结果对参数空间的影响。首先基于马尔可夫链蒙特卡洛方法得到的(O)(108)量级个样本点,然后按照样本点中暗物质在早期宇宙的湮灭方式进行分类,最后通过对比分析得到以下结论:(i)暗物质主要通过标量陶子(tau)联合湮灭的样本,如果μ值为正,大部分会被最新的LHC实验排除,如果μ值为负,很难被LHC或者暗物质直接寻找实验排除,只能依赖未来缪子(muon)反常磁矩的测量;(ii)暗物质成分以higgsino为主的样本大部分被LUX-2016实验限制覆盖,可以全部被未来暗物质直接寻找实验排除;(iii)暗物质通过A玻色子共振湮灭的样本受新实验的影响较小,受Br(Bs→μ+μ-)影响较大,未来的LZ实验也能全部覆盖;(iv)暗物质主要通过标量顶夸克联合湮灭的样本,精细调节程度很高,大部分可以在高亮度的LHC上排除。此外,LHC的新结果将受限最小超对称模型中标量顶夸克、最轻的neutralino和gluino的95%置信度水平质量下限分别推到了363GeV、328GeV和1818GeV。  最小超对称模型中的轻暗物质情形。在该情形中,暗物质残留密度的测量结果严格限制了超对称伴子的质量谱,LHC上寻找多轻子信号的实验可以间接地给出暗物质的质量下限。对于满足实验限制样本点,通过蒙卡模拟LHC上标量轻子对产生过程的2l+EmissT信号、chargino/neutralino联合产生过程的2l+EmissT信号和3l+EmissT信号,发现:LHC一期直接寻找超对称的实验结果排除掉了部分样本,高亮度LHC预计可以排除几乎所有样本。利用14TeV LHC上30fb-1和100fb-1积分亮度的数据,暗物质的95%置信度水平质量下限可以分别被推到42GeV和44GeV,如果积分亮度达到300fb-1,甚至可以被推到55GeV。  自然次最小超对称模型(Natural Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model)。研究LHC一期直接寻找超对称伴子实验的结果和LUX直接寻找暗物质的结果对次最小超对称模型自然性的影响。首先,通过扫描得到满足实验限制且电弱标度精细调节程度Δz和Δh小于50的次最少超对称模型参数空间。结果显示,尽管有大量的样本点被实验排除,存活区域Δz和Δh的下限却基本上不受影响。这表明目前次最小超对称模型依然可以自然地预言Higgs质量和Z玻色子质量。精细调节程度Δz和Δh最低可以达到2。另外还发现自旋无关和自旋相关的暗物质-核子散射截面限制对自然次最小超对称模型的排除能力是互补的。与一般印象相反,对于一些样本点自旋相关的散射截面限制比自旋无关散射截面限制强。  最后介绍了软件EasyScan_HEP的开发和使用。EasyScan_HEP是我们开发的一款连接不同高能物理计算软件并提供多种扫描方法的工具包。目前程序内包含的扫描方法有随机扫描、网格、MCMC和MultiNest,能够与大部分高能物理计算软件连接,提供了易于使用的数据交换接口,同时内置了一些常用的数据处理方法。
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