[논문 리뷰] LHC phenomenology with hidden sector dark matter: a long-lived stau and heavy Higgs in an observable range

Amin Aboubrahim, Pran Nath|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 18.

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한 줄 요약

이 논문은 약한 상호작용을 하는 어두운 물질 후보와 장수하는 스토우를 포함한 은신 세부구조를 가진 U(1) 확장 MSSM/SUGRA 프레임워크를 제안한다. 운동량 혼합과 슈텍엘베르크 질량 혼합을 통해 스토우는 LHC 트래커 내에서 붕괴되며, 이는 장수하는 전하를 띤 입자의 관측을 가능하게 한다. 메이저라 히iggsино와 은신 세부구조에서 유래한 디르악 페르미온을 포함하는 이중성 어둠물질 모델은, 충분한 루미노시티를 갖춘 HL-LHC와 HE-LHC에서 무거운 CP-오드 힉스 보손(최대 750 GeV)을 관측 가능하게 한다.

ABSTRACT

The presence of a hidden sector with very weak interactions with the standard model has significant implications on LHC signatures. In this work we discuss LHC phenomenology with the inclusion of a hidden sector by a $U(1)$ extension of MSSM/SUGRA. We consider both kinetic mixing and Stueckelberg mass mixing between the $U(1)$ gauge field of the hidden sector and $U(1)_Y$ of the visible sector. Such a model has an extended parameter space. We consider here two limited regions of this parameter space. In the first case we consider a $U(1)$ gauge field along with chiral fields needed for the Stueckelberg mechanism to operate and discuss the mixing between the hidden and the visible sectors. Here if the stau is the lightest sparticle in the MSSM sector and the neutralino of the hidden sector is the LSP of the full system and a dark matter candidate, the stau can be long-lived and decay inside an LHC detector tracker. In the second case we include extra vectorlike matter in the hidden sector which can give rise to a Dirac fermion in addition to the two neutralinos in the hidden sector. The neutralino sector now has six neutralinos and we assume that the lightest of these is the LSP and is higgsino-like. In this case the dark matter is constituted of a Majorana and a Dirac fermion, and a small $μ$ leads to heavy Higgs boson masses which reside in the observable range of HL-LHC and HE-LHC.

연구 동기 및 목표

• 약한 상호작용 어둠물질을 포함한 은신 세부구조를 가진 U(1) 확장 MSSM/SUGRA 모델에서 LHC 현상학을 탐색한다.
• 내부 검출기에서 이격된 트랙을 통해 관측 가능한 뉴클리드 물리학의 징후로 장수 스토우의 가능성 탐구한다.
• 보이는 세부구조의 힉스ино-유사 LSP와 은신 세부구조에서 유래한 디르악 페르미온이 공존하는 이중성 어둠물질 시나리오를 검토한다.
• 작은 μ 매개변수 조건 하에서 무거운 CP-오드 힉스 보손(A)을 관측할 수 있는 HL-LHC 및 HE-LHC의 탐색 능력을 평가한다.
• 실제 시스템적 불확실성 조건 하에서 τhτh 최종 상태에서 CP-오드 힉스를 관측하기 위한 통합 루미노시티를 정량화한다.

제안 방법

• 운동량 혼합과 슈텍엘베르크 질량 혼합을 통해 MSSM과 연결된 U(1)X 게이지 군을 도입하여 6×6 중성보 질량 행렬을 유도한다.
• 스토우를 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)로 모델링하고 은신 세부구조 중성보를 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)로 하여 장수 스토우 붕괴를 가능하게 한다.
• 은신 세부구조에 벡터-유사 물질을 포함시켜 디르악 페르미온 성분을 생성하고, 메이저라 힉스ино LSP를 보완한다.
• 작은 μ 매개변수를 사용한 방사형 전자약 대칭 붕괴를 통해 자연스럽게 힉스ино-유사 LSP를 생성하고, 잔류 밀도를 억제한다.
• CP-오드 힉스 보손의 τhτh 최종 상태에서의 발견 가능성을 평가하기 위해 모델 매개변수 공간의 벤치마크 스캔을 수행한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 YR18 시스템적 불확실성을 포함한 HL-LHC 및 HE-LHC에서의 통합 루미노시티 요구량을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은신 세부구조 중성보와의 혼합으로 인해 MSSM 세부구조의 장수 스토우가 LHC에서 관측될 수 있는가?
• RQ2 HL-LHC 및 HE-LHC에서 τhτh 최종 상태에서 무거운 CP-오드 힉스 보손(A)을 관측하기 위해 필요한 통합 루미노시티는 얼마인가?
• RQ3 시스템적 불확실성(YR18)은 이 모델에서 힉스 발견을 위한 루미노시티 요구량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 힉스ино와 디르악 페르미온을 포함하는 이중성 어둠물질 시나리오는 관측된 잔류 밀도를 충족시키면서 직접 탐측 제약 조건과 일치할 수 있는가?
• RQ5 작은 μ와 은신 세부구조 확장 조건 하에서, HL-LHC 및 HE-LHC가 접근 가능한 CP-오드 힉스 보손의 질량 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 선택된 스토우 벤치마크 절반은 HL-LHC에서 발견 가능하며, 더 넓은 스토우 질량 범위에서는 모든 벤치마크가 HE-LHC에서 접근 가능하다.
• HL-LHC에서 tanβ ≤ 12 조건 하에 통합 루미노시티 3000 fb⁻¹를 사용할 경우, CP-오드 힉스 보손은 최대 450 GeV까지 관측 가능하다.
• HE-LHC에서는 약 2600 fb⁻¹의 통합 루미노시티로 질량이 최대 750 GeV인 CP-오드 힉스 보손을 관측 가능하며, 이는 최적의 15 ab⁻¹ 이하에 해당한다.
• 시스템적 불확실성(YR18)은 루미노시티 요구량을 벤치마크에 따라 1.5배에서 4배까지 증가시키며, 특히 HE-LHC 전용으로 발견 가능한 점들에 대해 뚜렷한 영향을 미친다.
• 은신 세부구조의 디르악 페르미온이 잔류 밀도의 주요 기여를 하며, 힉스ино가 보조적인 비율이지만 타당한 기여를 할 수 있다.
• 이 모델은 1 TeV 이하의 질량을 가진 무거운 힉스 세부구조를 예측하여, 특히 τhτh 최종 상태에서 HL-LHC 및 HE-LHC에서 접근 가능하게 한다.