[논문 리뷰] Constraints on Higgs Properties and SUSY Partners in the pMSSM

M. Cahill-Rowley, JoAnne L. Hewett외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 LHC 및 ILC 감도를 탐색하기 위해 19/20개 파라미터 프레임워크를 사용하여 현상학적 MSSM(pMSSM)에서 힉스 보손 성질과 초대칭(SUSY) 입자 제약 조건 간의 상호작용을 조사한다. 연구 결과, 특히 500 GeV ILC에서의 정밀도 힉스 결합 측정이 직접 SUSY 탐색으로는 접근할 수 없는 pMSSM 모델을 배제할 수 있음을 밝혀냈다. 이는 14 TeV LHC 데이터 3 ab⁻¹ 조건에서도 마찬가지로 성립한다.

ABSTRACT

Direct searches for superpartners and precision measurements of the properties of the $\sim 126$ GeV Higgs boson lead to important inter-dependent constraints on the underlying parameter space of the MSSM. The 19/20-parameter p(henomenological)MSSM offers a flexible framework for the study of a wide variety of both Higgs and SUSY phenomena at the LHC and elsewhere. Within this scenario we address the following questions: `What will potentially null searches for SUSY at the LHC tell us about the possible properties of the Higgs boson?' and, conversely, `What do precision measurements of the properties of the Higgs tell us about the possible properties of the various superpartners?' Clearly the answers to such questions will be functions of both the collision energy of the LHC as well as the accumulated integrated luminosity. We address these questions employing several sets of pMSSM models having either neutralino or gravitino LSPs, making use of the ATLAS SUSY analyses at the 7/8 TeV LHC as well as planned SUSY and Higgs analyses at the 14 TeV LHC and the ILC. Except for theoretical uncertainties that remain to be accounted for in the ratios of SUSY and SM couplings, we demonstrate that Higgs coupling measurements at the 14 TeV LHC, and particularly at the 500 GeV ILC, will be sensitive to regions of the pMSSM model space that are not accessible to direct SUSY searches.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 직접적 SUSY 탐색 null 결과가 126 GeV 힉스 보손의 성질에 미치는 영향을 이해하는 것.
• pMSSM에서 SUSY 파트너의 성질을 드러내는 정밀도 힉스 결합 측정의 결과를 규명하는 것.
• 14 TeV LHC와 500 GeV ILC의 상호보완적 감도가 pMSSM 파arameter 공간을 탐색하는 데 미치는 영향을 평가하는 것.
• 히iggs 결합 계산의 이론적 불확실성이 모델 배제에 미치는 영향을 평가하는 것.
• LHC 및 ILC 데이터를 통합한 후에도 여전히 타당한 pMSSM 파arameter 공간 영역을 특정하는 것.

제안 방법

• CP 보존, 최소 풍미 위반, 첫 번째/두 번째 세대 스퍼미온 질량의 등가성, 첫 번째 두 세대의 양성자 쿠퍼링 상수 무시를 가정하는 19/20개 파라미터 pMSSM 프레임워크를 사용.
• SOFTSUSY를 사용해 약 3.7 × 10⁶개의 pMSSM 모델 포인트 생성 및 SuSpect로 검증한 후, 충돌기, 풍미, 정밀도, 암흑물질 및 이론적 제약 조건 적용.
• SUSY-HIT 및 HDECAY의 수정 버전을 사용해 모델 공간 전역에서 SUSY 입자 붕괴 패턴과 힉스 붕괴 분율 계산.
• 7/8 TeV ATLAS SUSY 분석과 계획된 14 TeV LHC 및 ILC 탐색을 시뮬레이션하여 탐지 가능성 평가.
• 300 fb⁻¹ 및 3 ab⁻¹의 14 TeV LHC 데이터와 500 GeV ILC 런 조건을 포함한 다양한 루미노시티 및 에너지 시나리오에서 모델 배제 비율 분석.
• bb̄, ττ, gg, γγ 및 비가시 모드로의 힉스 결합에 집중하며, null SUSY 탐색 결과가 힉스 성질 제약 조건에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 직접적 SUSY 탐색 null 결과가 힉스 붕괴 분율 및 결합 비율의 允許 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 14 TeV LHC 및 500 GeV ILC에서의 정밀도 힉스 결합 측정이 직접적 SUSY 탐색으로는 접근할 수 없는 pMSSM 모델을 얼마나 잘 탐색할 수 있는가?
• RQ3 어느 힉스 결합 채널이 pMSSM 파arameter 공간에 가장 강력한 제약을 가하는가? 이는 측정된 값이 SM 예측에서 벗어나는지 여부에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 14 TeV LHC에서 가장 민감한 SUSY 탐색 조건을 통과한 모델들이라도, 정밀도 힉스 결합 측정이 ILC에서 모델을 배제할 수 있는가? 이는 통합 루미노시티 3 ab⁻¹ 조건에서도 성립하는가?
• RQ5 히iggs 결합 계산의 이론적 불확실성이 모델 배제 결과의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LHC에서의 직접적 SUSY 탐색 null 결과는 pMSSM 모델 분포의 크기를 줄이지만 형태에는 크게 영향을 주지 않아, 이 탐색 결과로는 힉스 붕괴 분율의 SM 값에서의 이격이 대부분 제약을 받지 않는다는 것을 시사한다.
• 500 GeV ILC에서의 정밀도 힉스 결합 측정은 14 TeV LHC의 0 레프톤, 제트 + MET 탐색으로는 탐색되지 않는 pMSSM 모델을 배제할 수 있다. 이는 통합 루미노시티 3 ab⁻¹ 조건에서도 마찬가지다.
• 14 TeV LHC 데이터 300 fb⁻¹ 이후, 중성미온 LSP를 가진 pMSSM 모델의 93.1%는 ILC의 힉스 결합 측정으로 인해 배제되며, HL-ILC 시나리오에서는 100%로 증가한다.
• pMSSM에서 $h \to b\bar{b}$ 결합은 SM 값에서 가장 큰 이격을 보이며, 이는 이 채널이 이격이 0으로 가정되지 않을 경우 모델을 배제하는 데 가장 민감한 채널임을 의미한다.
• 만약 $h \to gg$ 결합이 SM 예측에서 벗어나면(정확한 힉스 질량을 확보하기 위해 스토프 루프가 필요), ILC에서의 $r_{gg}$ 측정은 고려된 pMSSM 모델의 거의 전부를 배제할 수 있다. 특히 관측된 값이 pMSSM 예측 방향으로 SM과 다를 경우 더욱 그렇다.
• 이 연구의 가정 하에 pMSSM에서 $h \to \gamma\gamma$ 채널은 SM 예측과 일치하므로, 어떤 제약력도 가지지 못한다.