[論文レビュー] Constraints on Higgs Properties and SUSY Partners in the pMSSM

M. Cahill-Rowley, JoAnne L. Hewett+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、LHCおよびILCの感度を調査するために19/20パラメータのフレームワークを用いて、物性論的MSSM（pMSSM）におけるヒッグス bosonの性質と超対称性（SUSY）粒子の制約の相乗的相互作用を調査している。その結果、特に500 GeVのILCでの高精度なヒッグスカップリング測定が、直接SUSY探索では到達できないpMSSMモデルを除外できることを示している。これは14 TeV LHCデータで3 ab⁻¹の積算した場合でも同様である。

ABSTRACT

Direct searches for superpartners and precision measurements of the properties of the $\sim 126$ GeV Higgs boson lead to important inter-dependent constraints on the underlying parameter space of the MSSM. The 19/20-parameter p(henomenological)MSSM offers a flexible framework for the study of a wide variety of both Higgs and SUSY phenomena at the LHC and elsewhere. Within this scenario we address the following questions: `What will potentially null searches for SUSY at the LHC tell us about the possible properties of the Higgs boson?' and, conversely, `What do precision measurements of the properties of the Higgs tell us about the possible properties of the various superpartners?' Clearly the answers to such questions will be functions of both the collision energy of the LHC as well as the accumulated integrated luminosity. We address these questions employing several sets of pMSSM models having either neutralino or gravitino LSPs, making use of the ATLAS SUSY analyses at the 7/8 TeV LHC as well as planned SUSY and Higgs analyses at the 14 TeV LHC and the ILC. Except for theoretical uncertainties that remain to be accounted for in the ratios of SUSY and SM couplings, we demonstrate that Higgs coupling measurements at the 14 TeV LHC, and particularly at the 500 GeV ILC, will be sensitive to regions of the pMSSM model space that are not accessible to direct SUSY searches.

研究の動機と目的

• 14 TeV LHCでの直接SUSY探索のnull結果が、126 GeVのヒッグス bosonの性質に与える制約を理解すること。
• pMSSMにおけるSUSYパートナの性質を明らかにするために、高精度なヒッグスカップリング測定が示す情報を特定すること。
• 14 TeV LHCと500 GeV ILCが、pMSSMパラメータ空間をどのように補完的に探査できるかを評価すること。
• ヒッグスカップリング計算における理論的不確実性が、モデルの除外に与える影響を評価すること。
• LHCとILCのデータを統合した後も、依然として妥当性を保つpMSSMパラメータ空間の領域を同定すること。

提案手法

• CP保存、最小フレーバー不変性、第一・第二世代スフェルミオン質量の縮退、第一・第二世代のヤコビアンカップリングが無視できるという仮定を置いた19/20パラメータのpMSSMフレームワークを採用。
• SOFTSUSYを用いて約3.7 × 10⁶個のpMSSMモデルポイントを生成し、SuSpectを用いて検証。その後、コライダー、フラバー、精度、ダークマター、理論的制約を適用。
• SUSY-HITおよびHDECAYの修正版を用いて、モデル空間全体におけるSUSY粒子の崩壊パターンとヒッグスの分岐比を計算。
• ATLASのSUSY解析（7/8 TeV）および計画された14 TeV LHCおよびILC探索をシミュレートし、発見可能性を評価。
• 300 fb⁻¹および3 ab⁻¹の14 TeV LHCデータ、および500 GeV ILC走行を含む、さまざまな積算放射線およびエネルギー条件の下でモデルの除外率を分析。
• ヒッグスカップリングのbb̄、ττ、gg、γγ、および非可視モードに注目し、nullなSUSY探索がヒッグス性質の制約に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける直接SUSY探索のnull結果が、ヒッグス分岐比およびカップリング比の許容範囲にどのように影響するか？
• RQ2 14 TeV LHCおよび500 GeV ILCでの高精度なヒッグスカップリング測定が、直接SUSY探索では到達できないpMSSMモデルをどの程度探査できるか？
• RQ3 どのヒッグスカップリングチャネルがpMSSMパラメータ空間に対して最も強い制約を与えるか？また、測定値が標準模型（SM）期待値から逸脱する場合にその依存関係はどのように変化するか？
• RQ4 測定された値がゼロでないと仮定しない場合、高精度なヒッグスカップリング測定が、14 TeV LHCの最も感受性の高いSUSY探索を通過したモデルを除外できるか？
• RQ5 ヒッグスカップリング計算における理論的不確実性が、モデルの除外結果の妥当性に与える影響は何か？

主な発見

• LHCにおける直接SUSY探索のnull結果は、pMSSMモデル分布のサイズを小さくするが、その形状に顕著な変化をもたらさない。これは、ヒッグス分岐比がSM値から逸脱しても、これらの探索によってほとんど制約されないことを示唆している。
• 500 GeV ILCでの高精度なヒッグスカップリング測定は、14 TeV LHCのゼロレプトン・ジェット＋MET探索ではカバーできないpMSSMモデルを除外できる。これは3 ab⁻¹の積算放射線を含む14 TeV LHCデータでも同様である。
• 14 TeV LHCで300 fb⁻¹のデータを取得した後、中性子のLSPを持つpMSSMモデルの93.1％がILCでのヒッグスカップリング測定によって除外される。ハイライト・ILC（HL-ILC）シナリオでは100％に上昇する。
• pMSSMにおいて、$h \to b\bar{b}$カップリングがSM値から最大の逸脱を示すため、偏差がゼロでないと仮定した場合、最も感受性の高いモデル除外チャネルとなる。
• ヒッグス質量を正しい値に達成するためにストップループが必要となる場合、$h \to gg$カップリングがSM予測から逸脱する。その場合、ILCによる$r_{gg}$測定は、検討されたpMSSMモデルのほぼすべてを除外できる。特に、観測値がpMSSM予測の方向に逸脱している場合、その除外力は顕著である。
• 本研究の仮定下では、$h \to \gamma\gamma$チャネルはpMSSM空間全体でSM予測と整合的であるため、モデルの除外力を持たない。