[논문 리뷰] Nonstandard Higgs Decays and Dark Matter in the E6SSM

Jonathan P. Hall, Stephen F. King외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 추가적인 U(1)ₙ 게이지 대칭을 가진 초대칭 표준모형의 확장인 E6SSM에서 비표준 힉스 붕괴와 암흑물질을 조사한다. 표준모형 유사 힉스 보손이 95% 이상의 비율로 경량 관성 중성노이트론(최경량 및 제2경량 중성노이트론)으로 붕괴되며, 이는 큰 은폐 분포율과 관측 가능한 μ⁺μ⁻ 최종 상태를 초래한다. 동시에 최경량 중성노이트론은 직접 탐지 단면적의 감도 한계인 XENON100 수준에 가까운 값을 가지며, 타당한 암흑물질 후보로 가능하다.

ABSTRACT

We study the decays of the lightest Higgs boson within the exceptional supersymmetric (SUSY) standard model (E6SSM). The E6SSM predicts three families of Higgs-like doublets plus three SM singlets that carry U(1)_{N} charges. One family of Higgs-like doublets and one SM singlet develop vacuum expectation values. The fermionic partners of other Higgs-like fields and SM singlets form inert neutralino and chargino states. Two lightest inert neutralinos tend to be the lightest and next-to-lightest SUSY particles (LSP and NLSP). The considered model can account for the dark matter relic abundance if the lightest inert neutralino has mass close to half the Z mass. In this case the usual SM-like Higgs boson decays more than 95% of the time into either LSPs or NLSPs. As a result the decays of the lightest Higgs boson into l^{+} l^{-} + X might play an essential role in the Higgs searches. This scenario also predicts other light inert chargino and neutralino states below 200 GeV and large LSP direct detection cross-sections which is on the edge of observability of XENON100.

연구 동기 및 목표

• E6SSM에서 최경량 힉스 보손의 현상학적 성질, 특히 은폐된 입자로의 비표준 붕괴 모드를 조사한다.
• 유물론적 밀도와 직접 탐지 단면적을 평가하여 최경량 관성 중성노이트론이 암흑물질 후보로 타당한지 평가한다.
• 특히 μ⁺μ⁻ 최종 상태에서 나타나는 특징적인 콜라이더 서명을 규명한다. 이는 E6SSM에서의 이국적 힉스 붕괴에서 기인한다.
• 관성 카르긴오와 중성노이트론의 질량 스펙트럼과 결합 상수를 규명하고, LHC에서의 관측 가능성 여부를 판단한다.
• UV 완전 초대칭 모형에서 힉스 섹터, 암흑물질 유물론 밀도, 직접 탐지 제약 조건 간의 상호작용을 탐색한다.

제안 방법

• E6SSM는 SU(3)C × SU(2)W × U(1)Y × U(1)ₙ의 확장된 게이지 군으로 기술되며, U(1)ₙ은 U(1)χ와 U(1)ψ의 선형 조합으로 구성되어 이환성 보존과 오른쪽 수성 중성미온 단일 상태를 보장한다.
• 플레처-변형 중성미온의 양자역학적 비대칭을 억제하기 위해 Z₂^H 대칭을 도입하며, 이로 인해 단일 힉스 두중성자(Hᵤ, H_d)와 표준모형 단일 상태(S)만이 힉스 필드로 남고, 나머지는 관성 다중 상태를 이룬다.
• 최경량 CP-짝성 힉스 상태는 표준모형 유사 힉스 보손으로 식별되며, 관성 상태와의 혼합으로 인해 게이지 보손 및 페르미온과의 결합 상수가 변형된다.
• 최경량 및 제2경량 관성 중성노이트론(χ₁⁰, χ₂⁰)은 각각 LSP와 NLSP로 식별되며, 암흑물질 유물론 밀도 제약 조건을 만족시키기 위해 질량이 M_Z/2 근처에 위치한다.
• 효과적 결합을 통한 힉스 붕괴 분포율을 계산하며, m_χ₁⁰ ≈ M_Z/2일 경우 주로 은폐 붕괴가 우세하다.
• LSP의 직접 탐지 단면적은 힉스 매개 스피너-불리한 산란을 통해 계산되며, σ_SI는 힉스-χ₁⁰ 결합 상수와 힉스 질량에 따라 달라진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최경량 관성 중성노이트론 질량이 Z 보손 질량의 절반인 M_Z/2 ≈ 46 GeV에 가까울 경우, 표준모형 유사 힉스 보손의 주요 붕괴 모드는 무엇인가?
• RQ2 E6SSM에서 최경량 관성 중성노이트론은 직접 탐지 제약 조건과 일치하면서도 관측된 암흑물질 유물론 밀도를 설명할 수 있는가?
• RQ3 이국적 힉스 붕괴로 인해 발생하는 은폐 상태로의 붕괴에서, 특히 μ⁺μ⁻ 최종 상태에서 나타나는 특징적인 콜라이더 서명은 무엇인가?
• RQ4 경량 관성 카르긴오와 중성노이트론의 질량과 생성 단면적은 무엇이며, LHC에서 관측 가능할 수 있는가?
• RQ5 LSP와 NLSP 간 질량 분리에 따라 힉스 결합 상수와 SM 및 은폐 최종 상태로의 붕괴 분포율은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 최경량 관성 중성노이트론 질량이 약 M_Z/2 ≈ 46 GeV일 경우, 표준모형 유사 힉스 보손은 LSP와 NLSP 상태로 붕괴되며, 이 분포율은 95%를 초과하여 주로 은폐 붕괴 모드를 차지한다.
• 베이치마크 시나리오에서 표준모형 유사 힉스 보손의 총 분포율 중 표준모형 입자로의 붕괴 비율은 2%에서 4% 사이로 감소하며, 이는 표준 힉스 탐색 채널의 현저한 억제를 초래한다.
• LSP의 직접 탐지 단면적은 XENON100의 감도 한계 근처에 위치하며, σ_SI는 하한(f_T^N = 0)에서 상한(f_T^N = 0.36) 사이의 범위를 가지며, 힉스 질량이 증가함에 따라 감소한다.
• 최소한 두 개의 관성 중성노이트론 상태와 하나의 관성 카르긴오 상태가 200 GeV 이하의 질량을 가지며, 이는 비탄성 W/Z 보손을 통한 쌍 생성과 이후 렙톤 및 제트로의 붕괴를 가능하게 한다.
• 표준모형 유사 힉스 보손이 μ⁺μ⁻ + X 최종 상태로 붕괴하는 것이 중요한 발견 채널이 되며, 이는 특히 m_χ₂⁰ - m_χ₁⁰ ≥ 10 GeV인 경우 표준모형 붕괴 분포율이 억제되기 때문이다.
• 모델은 제2경량 중성노이트론(χ₂⁰)이 가상의 Z 보손을 통해 LSP와 페르미온-반페르미온 쌍으로 붕괴하는 경향이 있음을 예측한다. 그러나 Δm > 20 GeV인 모든 베이치마크 시나리오에서 타당한 유물론 밀도를 확보할 수 없으며, 이는 힉스 붕괴에서 뚜렷한 제트 활동이 없음을 의미한다.