[논문 리뷰] Constraints on invisible Higgs decay in MSSM in the light of diphoton rates from the LHC

Nishita Desai, Biswarup Mukhopadhyaya외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 유사한 이중광자 힉스 붕괴 비율을 유지하면서도, 현상학적 MSSM에서 경량 중성보를 어두운 물질 후보로 삼을 수 있는지 조사한다. 특정 초대칭 붕괴 메커니즘을 가정하지 않은 완전히 현상학적 MSSM 프레임워크를 사용하여, 현재 LHC 데이터와도 일치하는 바에 비추어, 힉스 붕괴의 10% 이하가 중성보로 비가시적으로 붕괴될 수 있음을 보여주며, 이는 중성보가 경량(≤50 GeV)이면서 페시터 색상 힉스 질량이 크기(≥1 TeV)일 경우에 해당한다.

ABSTRACT

We examine the parameter space of the purely phenomenological minimal super- symmetric standard model (MSSM), without assuming any supersymmetry breaking scheme. We find that a large region of the parameter space can indeed yield the lightest neutral Higgs mass around 125 GeV, as suggested by the recent ATLAS data, and also lead to event rates around, or slightly higher than, the standard model expectation in the two-photon and four-lepton channels. Using a lightest neutralino that is considerably lighter than the Higgs, we find that the 'invisible' decay of the Higgs into a pair of neutralinos upto about 10% can be consistent with the current data from the Large Hadron Collider (LHC).

연구 동기 및 목표

• 특정 초대칭 붕괴 메커니즘을 가정하지 않은 순수 현상학적 MSSM의 매개변수 공간을 탐색하기 위해.
• 약 125 GeV의 힉스 질량과 이중광자 및 4ℓ 붕괴 채널에서 표준모형 유사 신호 강도를 동시에 재현할 수 있는 MSSM 매개변수 공간의 영역을 확인하기 위해.
• 특히 ATLAS가 125 GeV 부근에서 관측한 힌트를 고려할 때, 중성보로의 상당한 비가시적 힉스 붕괴 폭이 관측된 이중광자 비율과 어떻게 일치하는지 평가하기 위해.
• 가장 가벼운 중성보가 안정하지 않을 수 있는 R-포지티비티 위반 초대칭에서의 영향을 조사하기 위해, 특히 힉스 붕괴에 영향을 미칠 수 있음을 고려하기 위해.

제안 방법

• 초대칭 붕괴 부문에 대한 가정 없이, μ 및 mA와 같은 핵심 매개변수를 자유롭게 변형할 수 있도록 완전히 현상학적 MSSM 접근법을 채택하였다.
• 두 번째 순서 보정을 힉스 포텐셜에 포함시켜 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 질량이 관측된 123–127 GeV 범위에 들어오도록 제약을 가하였다.
• 이중광자 및 4ℓ 최종 상태에서의 신호 강도는 효과적 결합을 사용하여 계산하였으며, 토프 쿼크, 스토퍼, 스바텀의 순환 기여에 특히 주의를 기울였다.
• 가장 가벼운 중성보 쌍(χ⁰₁)으로의 비가시적 붕괴 분율은 중성보 질량 및 기타 MSSM 매개변수에 따라 함수로 계산하였다.
• 다양한 mA 값에서 이중광자 비율(Rγγ)과 비가시적 붕괴 분율(BR(h→χ⁰₁χ⁰₁)) 간의 상관관계를 체계적으로 분석하였다.
• 플라버-변형 중성자류를 억제하고 매개변수 공간을 단순화하기 위해 탈구합한 한계(큰 mA)에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 초대칭 붕괴 메커니즘을 가정하지 않고서도 MSSM 매개변수 공간이 약 125 GeV의 힉스 질량과 이중광자 및 4ℓ 채널에서 표준모형 유사한 신호 강도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 예측과 유사한 이중광자 신호 강도를 유지하면서도, 경량 중성보로의 상당한 비가시적 힉스 붕괴 폭(최대 10%)을 가질 수 있는가?
• RQ3 페시터 색상 힉스 질량(mA)의 값이 Rγγ와 BR(h→χ⁰₁χ⁰₁) 간의 상관관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 현재 LHC 데이터(특히 ATLAS의 결과)는 MSSM에서 가장 가벼운 중성보의 질량과 결합 상수에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 R-포지티비티 위반이 존재하는 상황에서도, 힉스 붕괴에 영향을 미치는 경량 중성보 LSP가 어두운 물질 후보로 유지될 수 있는가?

주요 결과

• MSSM 매개변수 공간의 넓은 영역에서 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손 질량이 약 125 GeV로 나타나며, ATLAS 데이터와 일치한다.
• 특히 초대칭 루프의 기여가 크더라도, MSSM에서 이중광자 및 4ℓ 채널에서 표준모형 유사한 신호 강도를 재현할 수 있다.
• mA ≥ 1 TeV일 경우, μ 및 At 값의 다양한 조합에서 이중광자 비율 Rγγ가 넓은 범위에서 안정적으로 1에 가까운 값을 유지하며, 표준모형 유사 행동이 우수하게 유지됨을 보여준다.
• 중성보 질량이 약 ~50 GeV 이하일 경우, 비가시적 붕괴 분율이 최대 10%인 경우 Rγγ 값이 0.6에서 0.8 사이에 머무르며, 이는 관측된 데이터와 일치한다.
• Rγγ가 최대 0.9일 경우에도 mA = 1 TeV일 경우 비가시적 붕괴 폭이 최대 10%까지 가능한 영역가 존재하며, 이는 큰 비가시적 붕괴가 표준모형 유사 이중광자 비율과 공존할 수 있음을 시사한다.
• 연구는 큰 비가시적 붕괴 폭이 관측된 이중광자 비율과 반드시 충돌하지는 않음을 입증하며, 이러한 붕괴가 이중광자 신호를 억압할 것이라는 일반적인 가정을 도전한다.