[논문 리뷰] SUSY effects in Higgs productions at high energy $e^+e^-$ colliders

Junjie Cao, Chengcheng Han외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 $e^+e^-$ 및 포톤 컬라이더에서 힉스 보손 생성에 대한 초대칭(SUSY) 효과를 조사하며, $e^+e^- \to Zh$, $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$, 그리고 NMSSM에서의 비정상적 힉스 과정인 $e^+e^- \to Zh_1$ 및 $e^+e^- \to A_1h$에 초점을 맞춘다. 연구 결과, $e^+e^- \to Zh$에 대한 SUSY 보정은 몇 퍼센트 수준에 이르며, $\gamma\gamma \to h$ 단면적은 최대 20% 향상되며, 250 GeV에서 $Zh_1$ 생성 단면적은 60 fb에 이를 수 있어 비최소 초대칭 모델의 탐색 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

Considering the constraints from collider experiments and dark matter detections, we investigate the SUSY effects in the Higgs productions $e^+e^- o Zh$ at an $e^+e^-$ collider with a center-of-mass energy above 240 GeV and $γγ o h o b\bar{b}$ at a photon collider with a center-of-mass energy above 125 GeV. In the parameter space allowed by current experiments, we find that the SUSY corrections to $e^+e^- o Zh$ can reach a few percent and the production rate of $γγ o h o b\bar{b}$ can be enhanced by a factor of 1.2 over the SM prediction. We also calculate the exotic Higgs productions $e^+e^- o Zh_1$ and $e^+e^- ightarrow A_1h$ in the next-to-minimal supersymmetric model (NMSSM) ($h$ is the SM-like Higgs, $h_1$ and $A_1$ are respectively the CP-even and CP-odd singlet-dominant Higgs bosons which can be much lighter than $h$). We find that at a 250 GeV $e^+e^-$ collider the production rates of $e^+e^- ightarrow Zh_1$ and $e^+e^- o A_1h$ can reach 60 fb and 0.1 fb, respectively.

연구 동기 및 목표

• 현재 실험적 제약 조건을 고려하여 고에너지 $e^+e^-$ 및 포톤 컬라이더에서 초대칭(SUSY)이 힉스 생성 과정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• NMSSM에서 힉스 결합 및 비정상적 힉스 생성의 정밀 측정을 통해 간접적인 SUSY 신호를 탐지할 수 있는지 조사하기 위해.
• 향후 $e^+e^-$ 컬라이더(예: CEPC, ILC, TLEP)가 희귀 힉스 채널을 통해 비최소 초대칭 모델에 대해 얼마나 민감한지 평가하기 위해.
• LHC 힉스 데이터와 다크 물질 탐지 한계를 고려하여 $e^+e^- \to Zh$ 및 $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$의 SUSY 보정 크기를 정량화하기 위해.

제안 방법

• LHC 힉스 데이터, 다크 물질 밀도, 직접적인 SUSY 탐색 결과를 통합하여 pMSSM 및 CMSSM 프레임워크에서 전반적인 매개변수 스캔을 수행하였다.
• 효과적 장 이론과 완전한 1차 교정 도형을 사용하여 $e^+e^- \to Zh$에 대한 1-loop 양자전자역학 및 SUSY 보정을 계산하였다.
• 포지티브 전하를 가진 SUSY 입자(예: 카이아린오, 양성자 힉스)의 루프 기여를 고려하여 $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 과정을 평가하였다.
• NMSSM에서 $h_1$과 $A_1$이 표준모형 유사 힉스보다 가벼운 싱글릿 주도 힉스 보손인 $e^+e^- \to Zh_1$ 및 $e^+e^- \to A_1h$의 비정상적 힉스 생성 채널을 연구하였다.
• $\sqrt{s} = 250$ GeV에서 $e^+e^-$ 및 125 GeV 이상에서 $\gamma\gamma$ 충돌에 대해 단면적을 계산하였으며, 운동역학적 및 결합 제약 조건을 적용하였다.
• 특히 $Zh_1$ 생성에 있어 $hZZ$ 결합의 표준모형에서의 편차를 핵심 제어 변수로 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 LHC 및 다크 물질 제약 조건을 고려할 때, 250 GeV $e^+e^-$ 컬라이더에서 $e^+e^- \to Zh$ 생성에 대한 SUSY 효과를 퍼센트 수준에서 탐지할 수 있는가?
• RQ2 포톤 컬라이더에서 SUSY 루프 기여로 인해 $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 단면적은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 250 GeV $e^+e^-$ 컬라이더에서 NMSSM에서의 비정상적 힉스 상태 $Zh_1$ 및 $A_1h$의 생성률은 얼마인가?
• RQ4 $hZZ$ 결합이 표준모형 값에서 벗어날 경우, $Zh_1$ 및 $A_1h$ 생성 단면적은 얼마나 민감하게 반응하는가?
• RQ5 $e^+e^- \to Zh_1$ 및 $e^+e^- \to A_1h$ 채널이 NMSSM과 같은 비최소 초대칭 모델의 탐색에 실질적인 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 현재 LHC 및 다크 물질 제약 조건을 만족하는 매개변수 영역에서 $e^+e^- \to Zh$에 대한 SUSY 보정은 몇 퍼센트 수준에 이른다.
• $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 단면적은 특히 양성자 힉스 및 카이아린오의 루프 기여로 인해 표준모형 예측 대비 최대 1.2배 향상될 수 있다.
• $\sqrt{s} = 250$ GeV에서 NMSSM에서 $e^+e^- \to Zh_1$ 생성률은 최대 60 fb에 이를 수 있으며, 혼합에 의해 $h_1ZZ$ 결합이 강화되면서 $h_1$ 질량이 증가함에 따라 단면적이 증가한다.
• $e^+e^- \to A_1h$ 생성률은 $ZA_1h$ 결합이 약하고 저질량 $A_1$에서 운동역학적 억제가 작용함에 따라 최대 0.1 fb에 그치며, $Zh_1$에 비해 크게 낮다.
• $Zh_1$ 단면적은 $hZZ$ 결합이 표준모형 값에서 벗어날 경우 매우 민감하게 반응하며, 표준모형 값에 가까워질수록 급격히 감소한다.
• $hZZ$ 결합이 표준모형과 유사한 경우에도 $A_1h$ 채널은 최대 0.1 fb의 단면적을 유지하여 $hZZ$ 결합 변화에 대해 강건함을 보였다.