[논문 리뷰] Probing degenerate heavy Higgs bosons in NMSSM with vector-like particles

Fei Wang, Wenyu Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 다음 최소 초대칭 표준 모형(NMSSM)에서 $\mu$-문제를 해결하고 힉스 생성을 향상시키기 위해 벡터-유사 입자를 도입하여 열악한 무거운 힉스 보손의 성질을 조사한다. LHC의 고질량 공명에 대한 null 결과는 매개변수 공간을 엄격히 제약하며, CP-짝성 및 CP-비대칭 힉스 보손 $h_2$와 $a_1$는 가장 가벼운 중성미온 $\chi^0_1$로 비가시적으로 붕괴할 수 있다. 이에 따라未래의 단일제트 검색, 즉 $gg \to h_2/a_1 \to \chi^0_1\chi^0_1 j$는 LHC에서의 주요 탐색 전략이 될 것이다.

ABSTRACT

In this work, we investigate the degenerate heavy Higgs bosons in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) by introducing vector-like particles. Such an extension is well motivated from the top-down view since some grand unified theories usually predict the existence of singlet scalars and vector-like particles at weak scale. Under the constraints from the LHC and dark matter experiments, we find that (1) the null results of searching for high mass resonances have tightly constrained the parameter space; (2) two degenerate heavy singlet Higgs bosons $h_2$ and $a_1$ can sizably decay to $χ^0_1χ^0_1$ invisibly. Therefore, search for the monojet events through the process $gg o h_2 / a_1 ( o χ^0_1 χ^0_1) j$ may further test our scenario at the future LHC.

연구 동기 및 목표

• 상향식 모델 구축에 기반하여 NMSSM에서 열악한 무거운 힉스 보손의 현상학을 탐색하기 위해.
• 단일 스칼라 다이내믹스와 벡터-유사 페르미온을 통해 $\mu$-문제를 해결하고, 작은 계층 문제를 완화하기 위해.
• 현재 LHC 및 암흑 물질 제약 조건 하에서 이러한 시나리오의 타당성을 테스트하기 위해.
• 미래 LHC 검색을 위한 관측 가능한 서명, 특히 비가시 붕괴를 특정하기 위해.

제안 방법

• 단일 스칼라 필드 $S$와 결합하는 벡터-유사 입자를 도입하여 NMSSM을 확장한다.
• 나무 수준의 힉스 포텐셜 및 질량 행렬 형식을 사용하여 중성 힉스 상태의 질량과 혼합을 계산하며, 이에 포함된 $h_2$와 $a_1$를 포함한다.
• LHC 공명 검색, 암흑 물질 잔여 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간 전반에 걸친 전반적 스캔을 수행한다.
• 생산 단면적($gg \to h_2/a_1$)과 분해비를 계산하며, 특히 $\chi^0_1\chi^0_1$로의 비가시 붕괴를 중심으로 한다.
• 벡터-유사 쿼크의 루프 기여를 통해 $h_2/a_1 \to \gamma\gamma$의 이중광자 붕괴율을 분석한다.
• 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는 벤치마크 포인트를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NMSSM에서의 벡터-유사 입자는 $h_2$와 $a_1$라는 열악한 무거운 힉스 보손에 대해 750 GeV 이중광자 초과 현상을 설명할 수 있는 타당한 시나리오를 생성할 수 있는가?
• RQ2 현재 LHC의 고질량 공명 검색 결과는 이 모형에서 열악한 무거운 힉스 보손의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 $h_2$와 $a_1$의 비가시 최종 상태, 특히 $\chi^0_1\chi^0_1$로의 분해비는 얼마인가?
• RQ4 벡터-유사 쿼크 루프를 통한 $gg \to h_2/a_1$의 생산 단면적이 관측된 이중광자 신호를 일치시키기 위해 증가시킬 수 있는가?
• RQ5 미래 LHC 검색, 특히 단일제트 채널에서 이 모형을 시험할 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• LHC의 고질량 공명에 대한 null 결과는 열악한 무거운 힉스 보손 $h_2$와 $a_1$의 매개변수 공간을 엄격히 제약한다.
• $h_2 \to \chi^0_1\chi^0_1$의 분해비는 최대 30%에 이를 수 있으며, $a_1 \to \chi^0_1\chi^0_1$는 최대 20%에 이른다.
• 13 TeV에서 $gg \to h_2$의 생산 단면적은 벤치마크 포인트에서 6.9 pb에 도달하며, $gg \to a_1$는 7.7 pb에 이른다.
• $h_2$와 $a_1$의 이중광자 붕괴율 $\sigma_{\gamma\gamma}$는 3.22 fb로 750 GeV 초과 현상과 일치한다.
• $a_1$의 주요 붕괴 모드는 $\chi^+$ 힉스노 페어 중 하나이며, 분해비는 31.4%이다.
• 미래에 $gg \to h_2/a_1 \to \chi^0_1\chi^0_1 j$ 경로를 통한 단일제트 이벤트 검색은 이 시나리오에 대한 유망한 탐색 전략이 될 것이다.