[논문 리뷰] 125 GeV Higgs and enhanced diphoton signal of a light singlet-like scalar in NMSSM

Marcin Badziak, Marek Olechowski외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 레오퍼스(LEP) 제약 조건과 LHC 데이터에 부합하면서, b 및 τ 쿼크와의 결합이 강하게 억제된 경량의 싱귤러-유사 스칼라 보손(60–110 GeV)을 포함하는 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)의 시나리오를 제안한다. SM 유사 힉스와의 혼합으로 인해 싱귤러는 이중광자 붕괴 확률을 최대 3배로 증가시키며, 125 GeV 힉스의 WW*/ZZ* 및 이중광자 채널에서의 신호 강도는 감소한다. 이는 LHC 데이터와 일치한다.

ABSTRACT

NMSSM with a light singlet-like scalar and strongly suppressed couplings to $b$ and $τ$ is investigated. It is shown that in such a scenario the singlet-like scalar to diphoton signal can be larger than for the SM Higgs for a wide range of masses between 60 and 110 GeV, in agreement with all the LEP and LHC data. Enhancement of the singlet-like scalar to diphoton signal is correlated with positive correction to the SM-like Higgs mass from mixing between SM-like Higgs and the singlet. It is also shown that the couplings to $b$ and $τ$ and, in consequence, branching ratios of the SM-like Higgs are anti-correlated with those of the singlet-like scalar. If the singlet-like scalar to diphoton signal is enhanced, the signal strengths of the 125 GeV Higgs in the diphoton and $WW^*/ZZ^*$ channels are predicted to be smaller than for the SM Higgs.

연구 동기 및 목표

• 110 GeV 이하의 경량 싱귤러-유사 스칼라 보손과 b 및 τ 쿼크와의 결합이 억제된 NMSSM 매개변수 공간의 영역을 탐색한다.
• SM 유사 힉스와 싱귤러-유사 스칼라 간의 혼합이 효과적인 힉스 질량을 125 GeV로 높여 무거운 스토퍼의 필요성을 줄일 수 있는지 조사한다.
• 경량 싱귤러-유사 스칼라의 증가된 이중광자 붕괴 확률이 LEP 및 LHC 힉스 데이터와 일치하는지 평가한다.
• 이러한 시나리오가 관측된 125 GeV 힉스 신호를 설명할 수 있는지, 그리고 이중광자 및 벡터 보손 붕괴 채널에서 관측 가능한 편차를 예측할 수 있는지 규명한다.

제안 방법

• NMSSM에서 CP-짝성 스칼라 질량 행렬을 구성하며, SM 유사 힉스(h), 무거운 CP-짝성 상태(H), 싱귤러-유사 스칼라(s)를 (ĥ, Ĥ, ŝ) 기저에 포함시킨다.
• 초기 슈퍼포텐셜 항 $ W_{\text{NMSSM}} = \lambda S H_u H_d + \kappa S^3/3 $ 을 사용하여 효과적인 μ-항을 생성하고 스칼라 포텐셜을 정의한다.
• 정규화된 보정을 통해 SM 유사 힉스 질량에 기여하는 반사성 보정을 적용하며, $ M_{\text{SUSY}} $ 및 $ X_t $ 매개변수를 포함한 스토퍼 루프 기여를 포함한다. $ (\delta m_h^2)^{\text{rad}} $.
• 혼합 계수 $ \overline{g}_x, \beta^{(H)}_x, \beta^{(s)}_x $ 를 사용하여 페르미온 및 벡터 보손의 결합 수정 계수를 유도하며, $ C_{b_x} = \overline{g}_x + \beta^{(H)}_x \tan\beta $ 를 적용한다.
• LEP 제약 조건을 충족시키기 위해 $ s \to b\bar{b} $ 및 $ s \to \tau\bar{\tau} $ 붕괴에 대해 $ m_s $, $ \lambda $, $ \tan\beta $, $ A_\lambda $ 매개변수에 대한 수치적 스캔을 수행한다.
• LHC 데이터(95% 신뢰수준)를 사용하여 타당한 매개변수 공간을 제약하기 위해 신호 강도 $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} $, $ R_{VV}^{(h)} $, $ R_{\gamma\gamma}^{(h)} $ 를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NMSSM 내의 경량 싱귤러-유사 스칼라 보손이 SM 예측을 초월해 이중광자 붕괴 확률을 증가시킬 수 있는가? 이는 LEP 및 LHC 데이터와도 일치하는가?
• RQ2 SM 유사 힉스와 싱귤러-유사 스칼라 간의 혼합이 125 GeV 힉스 질량과 그 신호 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 s → b\bar{b} 및 s → τ\bar{τ} 붕괴가 억제된 조건에서 s → γγ 붕괴의 최대 증가율은 얼마인가?
• RQ4 싱귤러와의 혼합으로 인해 125 GeV 힉스의 γγ 및 WW*/ZZ* 채널에서의 신호 강도는 어느 정도 감소하는가?
• RQ5 이 모델은 더 가벼운 스토퍼를 통해 125 GeV 힉스 질량을 설명할 수 있으며, 이는 작은 계층 문제에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 60–110 GeV 범위 내에서 싱귤러-유사 스칼라 보손은 이중광자 붕괴 확률을 최대 3배로 증가시킬 수 있으며, $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} \approx 3 $ 이다.
• LHC 제약 조건을 적용한 후에도 $ m_s \in [60, 110] $ GeV 범위에서 $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} > 1 $ 이 가능하며, 약 70 GeV 근처에서 약 2배의 피크 증가가 관측된다.
• 유효한 매개변수 공간 내에서 125 GeV 힉스의 WW*/ZZ* 채널에서의 신호 강도는 SM 값 이하로 감소하며, $ R_{VV}^{(h)} < 1 $ 이다.
• 125 GeV 힉스의 이중광자 채널에서의 신호 강도 역시 억제되며, 중간에서 큰 $ \tan\beta $ 조건에서 $ R_{\gamma\gamma}^{(h)} \approx R_{VV}^{(h)} $ 로 일치하며, LHC 데이터와 부합한다.
• 혼합에 의한 SM 유사 힉스 질량에 대한 정규화된 보정은 5–7 GeV 범위에 있으며, 이는 더 가벼운 스토퍼 질량을 가능하게 하여 작은 계층 문제를 완화시킨다.
• 가장 큰 이중광자 증가를 보이는 시나리오는 LHC 데이터에 의해 배제되지만, 경량 스칼라의 신호 강도가 SM 값의 두 배에 달하는 것은 타당하며 관측 가능하다.