[논문 리뷰] Invisible Decays of the Supersymmetric Higgs and Dark Matter

F. Boudjema, G. Bélanger외 1명|ArXiv.org|2002. 06. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비보편적인 게이지인 질량을 가진 초대칭 모델에서 중립이노로의 보이지 않는 힉스 붕괴를 조사하며, 이러한 붕괴가 수용 가능한 암흑물질 잔류 밀도를 유지하는 영역에서 표준모형(SM) 예측의 60% 이하로 힉스 보손의 이광자 붕괴율을 억제할 수 있음을 보여준다. 이러한 시나리오는 LHC의 γγ 채널에서 탐지되지 않을 수 있으며, 초입자와 중성미노 질량이 테바트론에서 접근 가능한 범위에 해당하며, 다른 매개변수와 무관하게 U(1) 게이지인 질량 매개변수 M₁ ≥ 20 GeV의 하한을 부과한다.

ABSTRACT

We discuss effects of the light sparticles on decays of the lightest Higgs in a supersymmetric model with nonuniversal gaugino masses at the high scale, focusing on the `invisible' decays into neutralinos. These can impact significanlty the discovery possibilities of the lightest Higgs at the LHC. We show that due to these decays, there exist regions of the $M_2-μ$ space where the B.R. $(h o γγ)$ becomes dangerously low even after imposing the LEP constraints on the sparticle masses, implying a possible preclusion of its discovery in the $γγ$ channel. We find that there exist regions in the parameter space with acceptable relic density and where the ratio ${B.R. (h o γγ)_{SUSY} \over B.R. (h o γγ)_{SM}}$ falls below 0.6, implying loss of signal in the $γγ$ channel. These regions correspond to $ ilde χ_1^+, ilde χ_2^0$ masses which should be accessible already at the Tevatron. Further we find that considerations of relic density put lower limit on the U(1) gaugino mass parameter $M_1$ independently of $μ, an β$ and $m_0$.

연구 동기 및 목표

• 비보편적인 게이지인 질량을 가진 초대칭 모델에서 경량 초입자들이 중성미노로의 보이지 않는 힉스 붕괴에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 이러한 보이지 않는 붕괴가 LHC에서 가장 가벼운 힉스 보손의 발견 가능성을 γγ 및 bb̄ 붕괴 채널에서 어떻게 영향을 주는지 평가하는 것.
• 보이지 않는 붕괴 분획비가 높지만 우주론적으로 수용 가능한 한계 내에서 중성미노의 잔류 밀도가 유지되는 매개변수 공간 영역을 식별하는 것.
• 특히 초입자와 두 번째로 가벼운 중성미노 질량에 대해 테바트론이 이러한 매개변수 영역을 탐색할 수 있는 범위를 규명하는 것.
• μ, tanβ, m₀와 무관하게 수용 가능한 암흑물질 잔류 밀도를 보장하는 U(1) 게이지인 질량 매개변수 M₁의 하한을 설정하는 것.

제안 방법

• 고에너지 스케일에서 비보편적인 게이지인 질량을 가진 초대칭 모델을 사용하며, 이는 두 개의 힉스 두중우를 가진 MSSM 프레임워크를 기반으로 한다.
• 일주기 보정과 효과적 결합을 사용하여 중성미노 쌍( h → χ̃₁⁰χ̃₁⁰)으로의 보이지 않는 힉스 붕괴 분획비를 계산한다.
• 열적 동결-아웃 과정을 통해 중성미노 암흑물질의 잔류 밀도를 계산하며, Z 및 힉스 피크에서의 공진적 상호작용을 포함한다.
• M₂, μ, M₁, m₀, tanβ에 대한 매개변수 공간 스캔을 수행하며, LEP 초입자 탐색 결과와 천체관측 결과로부터의 제약 조건을 적용한다.
• 분획비와 잔류 밀도는 수치 도구를 사용하여 평가하며, 고정된 m₀와 tanβ 조건에서 M₂–μ 평면에 결과를 시각화한다.
• SUSY 힉스의 이광자 붕괴율이 표준모형(SM) 예측과 비교되어 신호 억제 정도가 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비보편적인 게이지인 질량을 가진 초대칭 모델에서 중성미노로의 보이지 않는 힉스 붕괴가 힉스 이광자 붕괴율을 상당히 억제할 수 있는가?
• RQ2 LEP 제약 조건을 적용한 후에도, M₂–μ 매개변수 공간의 어떤 영역에서 보이지 않는 붕괴 분획비가 높아져 γγ 채널에서의 발견을 위협할 수 있는가?
• RQ3 이러한 보이지 않는 붕괴 시나리오가 여전히 우주론적으로 수용 가능한 범위(Ωh² ∈ [0.1, 0.3]) 내에서 중성미노의 잔류 밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 이러한 영역에서의 초입자 질량(χ̃₁⁺, χ̃₂⁰)은 테바트론 런-II에서 접근 가능한가?
• RQ5 잔류 밀도 제약 조건이 μ, tanβ, m₀와 무관하게 U(1) 게이지인 질량 매개변수 M₁에 어떤 하한을 부과하는가?

주요 결과

• 보이지 않는 힉스 붕괴 분획비가 높은 M₂–μ 매개변수 공간 영역에서는 SUSY에서의 이광자 붕괴 분획비 대비 표준모형(SM)의 비율이 0.6 이하로 떨어지며, 이는 γγ 신호의 상당한 억제를 의미한다.
• 이러한 γγ 붕괴율이 억제되는 영역은 초입자와 두 번째로 가벼운 중성미노 질량(mχ̃₁⁺ ≈ 250 GeV)이 테바트론 런-II에서 접근 가능한 범위에 해당한다.
• Z 및 힉스 피크에서의 효율적 상호작용 덕분에 더 무거운 스레프톤 질량 조건에서도 중성미노 암흑물질의 잔류 밀도는 우주론적으로 선호되는 범위(0.1 < Ωh² < 0.3) 내에 유지된다.
• M₁ ≥ 20 GeV의 하한이 μ, tanβ, m₀와 무관하게 불가피하게 필요하며, 이는 광범위한 매개변수 공간 스캔을 통해 확인되었다.
• 특정 영역에서는 보이지 않는 붕괴 채널 h → χ̃₁⁰χ̃₁⁰가 표준모형의 붕괴 모드를 초월하여 지배적이며, 이는 LHC에서의 γγ 및 bb̄ 채널에서의 발견을 위협할 수 있다.