[논문 리뷰] Higgs Properties and Supersymmetry: Constraints and Sensitivity from the LHC to an $e^+e^-$ Collider

B. Bilki, M. Battaglia외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서의 힉스 보손 질량 및 결합의 정밀 측정이 현상학적 최소 초대칭 표준모형(pMSSM)의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는지 조사한다. 19개 매개변수로 구성된 pMSSM 공간에 대한 스캔을 통해, 향후 $e^+e^-$ 충돌기의 정확도로 Higgs 결합 측정이 타당한 pMSSM 점의 20%를 배제함을 보여주며, 허위 힉스 보손 질량 $M_A$에 대한 간접적 민감도는 최대 1.4 TeV에 도달한다.

ABSTRACT

The study of the Higgs boson properties offers compelling perspectives for testing the effects of physics beyond the Standard Model and has deep implications for the LHC program and future colliders. Accurate determinations of the Higgs boson properties can provide us with a distinctively precise picture of the Higgs sector, set tight bounds, and predict ranges for the values of new physics model parameters. In this paper, we discuss the constraints on supersymmetry that can be derived by a determination of the Higgs boson mass and couplings. We quantify these constraints by using scans of the 19-parameter space of the so-called phenomenological minimal supersymmetric Standard Model. The fraction of scan points that can be excluded by the Higgs measurements is studied for the coupling measurement accuracies obtained in LHC Run 2 and expected for the HL-LHC program and $e^+e^-$ colliders and contrasted with those derived from missing transverse energy searches at the LHC and from dark matter experiments.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 힉스 보손 성질 측정으로부터 초대칭에 부여되는 제약를 평가하는 것.
• 직접 LHC 탐색(예: 부족한 횡방향 운동량) 및 어둠성 물질 실험과의 Higgs 결합 측정의 민감도를 비교하는 것.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기가 pMSSM에서 편미분 힉스 질량 $M_A$를 간접적으로 어떻게 탐색할 수 있는지 정량화하는 것.
• 힌트 측정, 직접 SUSY 탐색, 그리고 풍미/어둠성 물질 제약 간의 상호작용이 타당한 pMSSM 매개변수 공간을 좁히는 데 어떻게 기여하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 타당한 모델 점을 생성하기 위해 19개 매개변수로 구성된 pMSSM 매개변수 공간에 대한 스캔을 수행하였다.
• SUSY 기여로 인한 SM 예측과의 편차로 인해 Higgs 결합 수정자 $\kappa_i$를 평가하였다.
• LHC 런 2, HL-LHC, 향후 $e^+e^-$ 충돌기의 다양한 실험 정확도에서 Higgs 측정이 pMSSM 점의 배제 비율을 정량화하였다.
• 직접 SUSY 탐색(MET), 풍미 물리학, 어둠성 물질 실험과의 배제 능력을 Higgs 측정의 것과 비교하였다.
• 실험 정확도와 함께 Higgs 생성 및 붕괴율에 대한 이론적 및 매개변수적 불확실성을 사용하였다.
• Higgs 결합의 편차를 통한 $M_A$에 대한 간접적 민감도를 평가하였으며, 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서의 재구성 정확도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 LHC 탐색 및 어둠성 물질 실험과 비교해 볼 때, Higgs 결합 측정은 pMSSM 매개변수 공간을 얼마나 효과적으로 제약하는가?
• RQ2 향후 $e^+e^-$ 충돌기가 Higgs 결합 측정을 통해 편미분 힉스 질량 $M_A$에 대해 간접적으로 얼마나 민감한가?
• RQ3 SUSY 입자(예: $\Delta_b$, $\Delta_t$, $\Delta_\tau$)의 루프 보정이 pMSSM에서 Higgs 결합에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 이론적 및 매개변수적 불확실성이 뉴 피직스 맥락에서 Higgs 측정의 해석에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 제약를 모두 통과한 pMSSM 점의 비율은 얼마이며, 향후 Higgs 정밀도 측정으로서 얼마나 더 많은 감소가 이루어지는가?

주요 결과

• LHC 런 2 정확도에서 Higgs 결합 측정은 전체 pMSSM 스캔 점의 약 2%를 배제한다.
• HL-LHC 정확도에서 Higgs 측정은 전체 pMSSM 점의 약 8%를 배제한다.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기 정확도에서 Higgs 측정은 전체 pMSSM 점의 최대 20%를 배제한다.
• 풍미 물리학이나 직접 LHC 힉스 탐색으로 아직 배제되지 않은 pMSSM 점들에 대해, 향후 $e^+e^-$ 충돌기 정확도에서 Higgs 측정은 12%를 배제한다.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서의 편미분 힉스 질량 $M_A$에 대한 간접적 민감도는 LHC 런 2에서 약 ~450 GeV에서 HL-LHC에서 약 ~800 GeV으로 향상되고, 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서는 최대 약 ~1400 GeV에 도달한다.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 SM 기대치와의 Higgs 결합 편차를 기반으로, $M_A$ 값이 700 GeV에서 1.1 TeV 범위일 경우 $M_A$를 상대 정확도 약 8%에서 40%로 재구성할 수 있다.