[論文レビュー] SUSY effects in Higgs productions at high energy $e^+e^-$ colliders

Junjie Cao, Chengcheng Han+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー $e^+e^-$ およびフォトン衝突機におけるスピン統一理論（SUSY）効果を、$e^+e^- \to Zh$、$\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$、およびNMSSMにおける特異なヒッグス過程 $e^+e^- \to Zh_1$ と $e^+e^- \to A_1h$ に焦点を当てて調査している。SUSY補正により $e^+e^- \to Zh$ では数パーセントの変化が生じ、$\gamma\gamma \to h$ の断面積は20%向上し、250 GeVで $Zh_1$ の生成断面積は60 fbに達する。これは非最小的SUSYモデルの探査に有効である。

ABSTRACT

Considering the constraints from collider experiments and dark matter detections, we investigate the SUSY effects in the Higgs productions $e^+e^- o Zh$ at an $e^+e^-$ collider with a center-of-mass energy above 240 GeV and $γγ o h o b\bar{b}$ at a photon collider with a center-of-mass energy above 125 GeV. In the parameter space allowed by current experiments, we find that the SUSY corrections to $e^+e^- o Zh$ can reach a few percent and the production rate of $γγ o h o b\bar{b}$ can be enhanced by a factor of 1.2 over the SM prediction. We also calculate the exotic Higgs productions $e^+e^- o Zh_1$ and $e^+e^- ightarrow A_1h$ in the next-to-minimal supersymmetric model (NMSSM) ($h$ is the SM-like Higgs, $h_1$ and $A_1$ are respectively the CP-even and CP-odd singlet-dominant Higgs bosons which can be much lighter than $h$). We find that at a 250 GeV $e^+e^-$ collider the production rates of $e^+e^- ightarrow Zh_1$ and $e^+e^- o A_1h$ can reach 60 fb and 0.1 fb, respectively.

研究の動機と目的

• 現在の実験的制約を考慮した高エネルギー $e^+e^-$ およびフォトン衝突機におけるヒッグス生成過程へのスピン統一理論（SUSY）の影響を評価すること。
• NMSSMにおける精度測定によるヒッグス結合と特異なヒッグス生成の間接的SUSY信号の検出可能性を調査すること。
• 将来の $e^+e^-$ 衝突機（例：CEPC、ILC、TLEP）が、希少ヒッグスチャネルを通じて非最小的SUSYをどれほど感度よく検出できるかを評価すること。
• LHCヒッグスデータとダークマター検出限界を考慮した $e^+e^- \to Zh$ および $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ におけるSUSY補正の大きさを定量化すること。

提案手法

• LHCヒッグスデータ、ダークマターの残存密度、および直接SUSY探索からの制約を組み込んだpMSSMおよびCMSSMフレームワークにおけるパラメータのグローバルスキャンを実施した。
• 有効場理論と完全な1ループ図を用いて、$e^+e^- \to Zh$ における1ループ電弱およびSUSY補正を計算した。
• チャージドSUSY粒子（特にチルリンォスおよびチャージドヒッグス）のループ寄与を含めた $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ の過程を評価した。
• NMSSMにおける特異なヒッグス生成過程 $e^+e^- \to Zh_1$ および $e^+e^- \to A_1h$ を検討した。ここで $h_1$ および $A_1$ は、標準模型に類似したヒッグスより軽いシングレット支配のヒッグスである。
• $\sqrt{s} = 250$ GeV の $e^+e^-$ 衝突および125 GeV以上の $\gamma\gamma$ 衝突において断面積を計算し、運動学的および結合定数の制約を適用した。
• 特に $Zh_1$ 生成に対して、$hZZ$結合のSMからのずれを主要な制御パラメータとして分析に含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のLHCおよびダークマター制約を考慮した場合、250 GeVの $e^+e^-$ 衝突機で $e^+e^- \to Zh$ におけるSUSY効果がパーセントレベルで検出可能か？
• RQ2 フォトン衝突機において、SUSYループ寄与が $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ の断面積をどの程度増幅できるか？
• RQ3 250 GeVの $e^+e^-$ 衝突機におけるNMSSMにおける特異なヒッグス状態 $Zh_1$ および $A_1h$ の生成率はどの程度か？
• RQ4 $hZZ$結合のSM値からのずれは、$Zh_1$ および $A_1h$ 生成断面積にどの程度の感度を持つか？
• RQ5 $e^+e^- \to Zh_1$ および $e^+e^- \to A_1h$ チャネルが、NMSSMのような非最小的SUSYモデルの有効なプローブとして機能できるか？

主な発見

• 現在のLHCおよびダークマター制約で許容されるパラメータ空間において、$e^+e^- \to Zh$ におけるSUSY補正は最大で数パーセントに達する。
• $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ の断面積は、特にチャージドヒッグスおよびチルリンォスのループ寄与により、SM予測の1.2倍にまで向上する可能性がある。
• $\sqrt{s} = 250$ GeV において、NMSSMでは $e^+e^- \to Zh_1$ の生成断面積が最大60 fbに達する。これは、混合に起因する $h_1ZZ$ 結合の増強に伴い $h_1$ の質量が増加するにつれて断面積が増加する。
• $e^+e^- \to A_1h$ の生成断面積は最大0.1 fbに達するが、これは $ZA_1h$ 結合が弱く、低質量の $A_1$ では運動学的抑制が働くため、$Zh_1$ よりも著しく小さい。
• $Zh_1$ の断面積は、$hZZ$ 結合がSM値に近づくと急激に減少するため、その値のずれに極めて敏感である。
• $hZZ$ 結合がSMに近い場合でも、$A_1h$ チャネルは断面積が最大0.1 fbに達するため、$hZZ$ 結合の変動に対して頑健である。