[論文レビュー] 125 GeV Higgs and enhanced diphoton signal of a light singlet-like scalar in NMSSM

Marcin Badziak, Marek Olechowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、60–110 GeVの軽いシングレット型スカラーボソンを有する次に最小限の超対称標準模型（NMSSM）のシナリオを提案する。このボソンはbおよびτクォークへの結合が強く抑制されている。スモール・モデルに類似したヒッグスと混合することで、二光子崩壊率が最大で3倍に増幅されるが、125 GeVヒッグスのWW*/ZZ*および二光子チャンネルにおける信号強度は、LHCデータおよびLEP制約と整合的である。

ABSTRACT

NMSSM with a light singlet-like scalar and strongly suppressed couplings to $b$ and $τ$ is investigated. It is shown that in such a scenario the singlet-like scalar to diphoton signal can be larger than for the SM Higgs for a wide range of masses between 60 and 110 GeV, in agreement with all the LEP and LHC data. Enhancement of the singlet-like scalar to diphoton signal is correlated with positive correction to the SM-like Higgs mass from mixing between SM-like Higgs and the singlet. It is also shown that the couplings to $b$ and $τ$ and, in consequence, branching ratios of the SM-like Higgs are anti-correlated with those of the singlet-like scalar. If the singlet-like scalar to diphoton signal is enhanced, the signal strengths of the 125 GeV Higgs in the diphoton and $WW^*/ZZ^*$ channels are predicted to be smaller than for the SM Higgs.

研究の動機と目的

• 110 GeV未満の軽いシングレット型スカラーボソンとbおよびτクォークへの結合が抑制されたNMSSMのパラメータ空間の領域を探索すること。
• スモール・モデルに類似したヒッグスとシングレット型スカラーボソンとの混合が、125 GeVの有効ヒッグス質量を達成し、重いストップの必要性を低減する仕組みを調査すること。
• LEPおよびLHCヒッグスデータと整合的であることを前提に、軽いシングレット型スカラーボソンの二光子崩壊率の増幅の妥当性を評価すること。
• このようなシナリオが観測された125 GeVヒッグス信号を説明可能であるか、また二光子およびベクトルボソン崩壊チャンネルにおける観測可能なずれを予測できるかを特定すること。

提案手法

• NMSSMにおけるCP偶性スカラーマス行列を構築し、スモール・モデルに類似したヒッグス（h）、重いCP偶性状態（H）、およびシングレット型スカラーボソン（s）を含む（ĥ, Ĥ, ŝ）基底で混合を含める。
• 超電位項 $ W_{\text{NMSSM}} = \lambda S H_u H_d + \kappa S^3/3 $ を用いて有効μ項を生成し、スカラーポテンシャルを定義する。
• スモール・モデルに類似したヒッグス質量に対する放射修正を $ (\delta m_h^2)^{\text{rad}} $ を通じて適用し、$ M_{\text{SUSY}} $ および $ X_t $ パラメータを用いたストップループ寄与を組み込む。
• 混合係数 $ \overline{g}_x, \beta^{(H)}_x, \beta^{(s)}_x $ を用いてフェルミオンおよびベクトルボソンの結合修正を導出する。ここで $ C_{b_x} = \overline{g}_x + \beta^{(H)}_x \tan\beta $ である。
• LEP制約（$ s \to b\bar{b} $ および $ s \to \tau\bar{\tau} $）を満たすように、$ m_s $, $ \lambda $, $ \tan\beta $, $ A_\lambda $ のパラメータ空間に対して数値スキャンを実施する。
• LHCデータ（95%信頼区間）を用いて、有効なパラメータ空間を制約するため、信号強度 $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} $, $ R_{VV}^{(h)} $, および $ R_{\gamma\gamma}^{(h)} $ を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMSSMにおける軽いシングレット型スカラーボソンが、標準模型予測を上回る二光子崩壊率を増幅可能であり、同時にLEPおよびLHCデータと整合的であるか。
• RQ2 スモール・モデルに類似したヒッグスとシングレット型スカラーボソンとの混合が、125 GeVヒッグス質量およびその信号強度に与える影響は。
• RQ3 $ s \to b\bar{b} $ および $ s \to \tau\bar{\tau} $ 崩壊が抑制された条件下で、$ s \to \gamma\gamma $ の最大増幅はどの程度か。
• RQ4 シングレットとの混合により、125 GeVヒッグスの$ \gamma\gamma $および$ WW^*/ZZ^* $チャンネルにおける信号強度はどの程度低下するか。
• RQ5 このモデルは、より軽いストップを用いて125 GeVヒッグス質量を説明可能であり、その結果としてレディオの小規模な階層問題にどのような影響を与えるか。

主な発見

• シングレット型スカラーボソンは、60–110 GeVの質量範囲で、二光子崩壊率を最大で3倍に増幅可能であり、$ R_{\gamma\gamma}^{(s)} \approx 3 $ となる。
• LHC制約を適用しても、$ m_s \in [60, 110] $ GeV の範囲で $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} > 1 $ が可能であり、約70 GeVで2倍程度のピーク増幅が得られる。
• シングレットとの混合により、125 GeVヒッグスの$ WW^*/ZZ^* $チャンネルにおける信号強度は標準模型の値を下回り、有効なパラメータ空間では $ R_{VV}^{(h)} < 1 $ となる。
• 125 GeVヒッグスの二光子信号強度も抑制され、中程度から大きな $ \tan\beta $ の範囲では $ R_{\gamma\gamma}^{(h)} \approx R_{VV}^{(h)} $ となり、LHCデータと整合的である。
• 混合によるスモール・モデルに類似したヒッグス質量への正の補正は5–7 GeVの範囲にあり、これによりストップ質量の軽量化が可能となり、レディオの小規模な階層問題が緩和される。
• 二光子増幅が最大のシナリオはLHCデータにより除外されるが、軽いスカラーボソンの信号強度が標準模型の2倍であることは妥当であり、観測可能である。