[논문 리뷰] Higgs-Boson Masses and Mixings in the MSSM with CP Violation and Heavy SUSY Particles

Nicholas A. Murphy, Heidi Rzehak|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 높은 SUSY 입자 질량을 가진 CP 위반 MSSM에서 효과적인 양자장 이론 접근법을 사용하여 힉스 보손 질량 스펙트럼과 혼합을 계산한다. MSSM을 일중에서 저에너지 두 힉스 두중체 모형(2HDM)으로 매칭하고, 두 번째 순서의 양자군 방정식(RGE)을 통해 매개변수를 저에너지 스케일로 진화시킨다. 결과적으로 CP 위반 위상이 가장 가벼운 힉스 보손 질량을 몇 GeV 정도 이동시킬 수 있으며, 중성 힉스 섹터에서 상당한 CP 혼합이 발생함을 발견한다.

ABSTRACT

We calculate the Higgs-boson mass spectrum and the corresponding mixing of the Higgs states in the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). We assume a mass-hierarchy with heavy SUSY particles and light Higgs bosons. To investigate this scenario, we employ an effective-field-theory approach with a low-energy Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) where both Higgs doublets couple to up- as well as down-type fermions. We perform a one-loop matching of the MSSM to the 2HDM and evolve the parameters to the low energy scale by exploiting two-loop renormalization group equations, taking the complex parameters into account. For the calculation of the pole mass, we compare three different options: one suitable for large charged Higgs masses, one for low charged Higgs masses, and one approximation that interpolates between these scenarios. The phase dependence of the mass of the lightest neutral Higgs boson can be sizeable, i.e. on the order of a couple of GeV depending on the scenario. In addition, we discuss the CP composition of the neutral Higgs bosons.

연구 동기 및 목표

• 높은 SUSY 입자 질량 조건 하에서 CP 위반 MSSM의 정밀한 힉스 보손 질량과 혼합을 계산하기 위해.
• 높은 SUSY 스케일에서 유래하는 큰 로그 항으로 인한 이론적 불확실성으로 인한 힉스 질량 예측의 문제를 다루기 위해.
• 복소 매개변수와 CP 위반 위상을 높은 정밀도로 힉스 질량 계산에 통합하기 위해.
• 다양한 양성 힉스 질량에 대응하는 다양한 피크 질량 계산 방법을 비교하고, 필요한 경우 보간을 수행하기 위해.
• 복소 위상 존재 시 중성 힉스 보손의 CP 구성에 영향을 미치는 정도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 일중에서의 양자장 이론 접근법을 사용하여 MSSM을 저에너지 두 힉스 두중체 모형(2HDM)으로 매칭한다.
• 두 번째 순서의 양자군 방정식(RGE)을 사용하여 고에너지 스케일에서부터 저에너지 스케일로 매칭된 매개변수를 진화시키며, 복소 매개변수를 포함한다.
• 세 가지 다른 방법을 사용하여 힉스 피크 질량을 계산한다: 큰 양성 힉스 질량에 최적화된 방법, 작은 질량에 최적화된 방법, 그리고 보간 근사 방법.
• 일중 자기에너지 및 타드포르 보정을 포함하며, 위상 처리를 정확히 수행하여 복소 요크형 상수와 진공 기대값의 이동을 고려한다.
• W 및 Z 보손 질량과 전하의 온-shell 재규격화 조건을 사용하여, 일중 자기에너지에 기반한 방법을 적용한다.
• 완전한 일중 보정(Δr 유형 기여 포함)을 사용하여 온-shell 진공 기대값을 $ar{\mathrm{MS}}$ 체계로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 SUSY 입자 질량을 가진 MSSM에서 CP 위반 위상은 가장 가벼운 중성 힉스 보손 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 복소 매개변수가 중성 힉스 상태의 혼합 패턴과 CP 구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 양성 힉스 질량 조건에서 다양한 피크 질량 계산 방법 간의 비교 결과는 어떠한가?
• RQ4 높은 SUSY 스케일에서 기인하는 큰 로그 항은 힉스 질량 예측에 어떤 정도의 영향을 미치며, 이를 어떻게 총합할 수 있는가?
• RQ5 효과적 2HDM 프레임워크에서 CP 위반 보정이 힉스 질량 스펙트럼에 미치는 정량적 크기는 얼마인가?

주요 결과

• 가장 가벼운 힉스 보손 질량의 위상 의존성은 CP 위반 시나리오에 따라 몇 GeV에 이르게 된다.
• 중성 힉스 보손의 CP 구성은 복소 매개변수의 영향을 크게 받아, CP 짝성과 CP 기현 상태 간의 비정상적인 혼합을 유도한다.
• 큰 또는 작은 양성 힉스 질량에 최적화된 세 가지 다른 피크 질량 계산 방법과 보간 방법은 매개변수 공간 전반에서 일관된 결과를 도출한다.
• 복소 매개변수를 포함한 두 번째 순서 RGE 적용은 힉스 질량 스펙트럼에 대해 더 정확하고 신뢰할 수 있는 예측을 가능하게 한다.
• 톱-요크형 상수의 위상 기여의 수치적 효과는 무시할 만큼 작으며, 위상 값이 작고 질량 행렬에 큰 영향을 주지 않기 때문이다.
• 온-shell에서 $ar{\mathrm{MS}}$ 체계로의 일중 변환은 일관되게 적용되어 정확한 매칭 조건을 보장한다.