[논문 리뷰] Higgs bosons near 125 GeV in the NMSSM with constraints at the GUT scale

Ulrich Ellwanger, Cyril Hugonie|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 GUT 스케일에서의 비균일한 힉스 소프트 브레이킹 항목을 갖는 다음 최소 초대칭 표준 모형(NMSSM)인 비균일 힉스-NMSSM(NUH-NMSSM)을 조사하여, 125 GeV의 힉스 보손이 표준모형(SM) 예측보다 최대 2.8배 높은 이중광자 붕괴 비율을 가질 수 있음을 자연스럽게 실현할 수 있음을 보여준다. 이 모형은 또한 123 GeV 이하의 더 가벼운, 표준모형과는 덜 유사한 힉스 보손을 예측하며, 이는 LHC에서 관측 가능할 수 있고, 적당한 미세조정을 통해 타당한 암흑물질 잔류 밀도와 직접 탐지 제약 조건을 유지한다.

ABSTRACT

We study the NMSSM with universal Susy breaking terms (besides the Higgs sector) at the GUT scale. Within this constrained parameter space, it is not difficult to find a Higgs boson with a mass of about 125 GeV and an enhanced cross section in the diphoton channel. An additional lighter Higgs boson with reduced couplings and a mass <123 GeV is potentially observable at the LHC. The NMSSM-specific Yukawa couplings lambda and kappa are relatively large and tan(beta) is small, such that lambda, kappa and the top Yukawa coupling are of order 1 at the GUT scale. The lightest stop can be as light as 105 GeV, and the fine-tuning is modest. WMAP constraints can be satisfied by a dominantly higgsino-like LSP with substantial bino, wino and singlino admixtures and a mass of ~60-90 GeV, which would potentially be detectable by XENON100.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM)의 예측보다 최대 2.8배 높은 이중광자 붕괴 비율을 갖는 125 GeV의 힉스 보손을 자연스럽게 수용할 수 있는 NMSSM의 능력이 GUT 스케일에서의 균일한 소프트 브레이킹 항목에 의해 제약을 받는지 탐색한다.
• 관측된 125 GeV 근처의 이중광자 과잉 현상이 비균일한 힉스 섹터 파rameter를 갖는 제약된 NMSSM 프레임워크 안에서 어떻게 설명될 수 있는지 조사한다.
• 가장 가벼운 중성미노가 WMAP의 잔류 밀도와 XENON100의 직접 탐지 제약 조건과 일치하는 암흑물질 후보로 타당한지 평가한다.
• 123 GeV 이하의 더 가벼운 CP-짝성 힉스 보손(H₁) 존재가 LEP 및 LHC 제약 조건과 어떻게 조화될 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• 연구는 GUT 스케일에서의 균일한 소프트 브레이킹 항목을 갖되, 힉스 섹터만 제외한 NUH-NMSSM(비균일한 힉스 섹터를 갖는 NMSSM)을 사용하며, m_Hu > m_0 조건을 통해 큰 싱귤레이터-더블릿 혼합을 가능하게 한다.
• 다양한 NMSSM 결합 상수 λ 및 κ, 그리고 작은 tanβ를 포함한 레노멀라이제이션 그룹 방정식(RGEs)을 사용하여 파라미터를 GUT 스케일에서 전자약 스케일까지 진화시킨다.
• LHC 힉스 신호 강도 제약 조건(특히 γγ 및 VV), 경량 힉스에 대한 LEP 한계, ATLAS 및 CMS의 직접 초대칭 탐색 결과를 만족하는 파라미터 포인트를 스크리닝한다.
• 암흑물질의 잔류 밀도는 micrOMEGAs를 사용하여 계산하고, 직접 탐지 횡단면은 XENON100 제약 조건을 기반으로 평가한다.
• 가장 가벼운 중성미노의 구성(힉스이노, 빈오, 윈오, 싱귤레이터)과 그 잔류 밀도 및 스핀-독립 산란 횡단면을 분석한다.
• 기준점들을 선별하고, 힉스 질량 스펙트럼, 결합 상수, 다양한 생성 모드(ggF, VBF)에서의 신호 강도를 포함해 상세히 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GUT 스케일에서의 균일성 제약 조건 하에서 NMSSM이 관측된 125 GeV의 힉스 보손이 강화된 이중광자 붕괴 비율을 설명할 수 있는가?
• RQ2 비균일한 힉스 소프트 질량이 123 GeV 이하의 더 가벼운 CP-짝성 힉스 보손의 존재성과 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NUH-NMSSM에서 가장 가벼운 중성미노가 WMAP의 암흑물질 잔류 밀도와 XENON100의 직접 탐지 한계를 충족할 수 있는가?
• RQ4 큰 λ와 작은 tanβ가 힉스 섹터에 미치는 영향과 LHC 및 LEP 제약 조건 하에서 모형의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 질량이 124–125 GeV인 힉스 보손은 강한 싱귤레이터-더블릿 혼합과 고차원 기여로 인해 표준모형(SM) 예측보다 최대 2.8배 높은 이중광자 신호 강도를 가질 수 있다.
• 질량이 100–120 GeV 사이인 더 가벼운 CP-짝성 힉스 보손(H₁)은 LHC에서 관측 가능한 횡단면으로 생성될 수 있으며, 특히 M_H₁ > 90 GeV일 경우 더욱 그렇다.
• H₂(125 GeV)에서의 이중광자 강화 현상은 M_H₁ > 90 GeV와 강하게 상관되어 있으며, 이는 가벼운 힉스 보손이 강화를 매개하는 데 핵심적인 역할을 함을 시사한다.
• 가장 가벼운 스토퍼 쿼크는 105 GeV까지 가벼워질 수 있으며, ATLAS 및 테바트론 제약 조건과 일치하며, MSSM보다 미세조정이 약 10배 낮다.
• 가장 가벼운 중성미노는 질량 60–90 GeV 사이의 혼합 힉스이노-빈오-윈오-싱귤레이터 상태이며, WMAP 결과와 일치하는 잔류 밀도를 가지며, 직접 탐지 횡단면은 XENON100 한계 이하에서 이상까지 다양하게 변할 수 있다.
• 모형은 GUT 스케일에서 큰 NMSSM 결합 상수(λ, κ, h_t ~ O(1))를 갖으며, 이는 강한 동역학의 가능성을 시사한다. 또한 전체 균일성에서의 편차는 주로 m_Hu > m_0에 국한되어 있다.