[논문 리뷰] Exotic Higgs decays in U(1) extensions of the MSSM

Peter Athron, Margarete Mühlleitner외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 MSSM의 U(1)ₙ 확장, 특히 E₆ 기반 초대칭 모델에서 편미분자 힉스 보손 쌍으로의 이국적 힉스 붕괴를 조사한다. 연구 결과, 초위상 상수 𝜅 > 0.01일 경우 브랜치 비율이 1% 이상일 수 있으나, 신호 강도가 작고 미세 조정이 필요하므로 탐지가 어렵다는 것을 밝혔다.

ABSTRACT

We study the decays of the lightest CP-even Higgs boson into a pair of pseudoscalar Higgs states within U(1)_N extensions of the MSSM.

연구 동기 및 목표

• U(1)ₙ 확장된 MSSM에서 편미분자 힉스 상태로의 이국적 힉스 붕괴의 현상학적 특성을 탐색하기 위해.
• 작은 브랜치 비율에도 불구하고 LHC에서 이러한 붕괴를 탐지할 수 있는지 가능성 평가를 위해.
• 이국적 붕괴 브랜치 비율이 초위상 상수 𝜅에 따라 어떻게 달라지는지 규명하기 위해.
• 근사적인 전역 U(1) 대칭성과 S, S̄, 𝜙의 진공 기대값에 의한 그의 자발적 대칭 깨짐의 역할을 분석하기 위해.
• 이 모델에서 경량 편미분자 입자가 어두운 물질 및 중성미물리학에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 추가적인 U(1)ₙ 게이지 대칭을 가진 E₆ 기반 초대칭 모델을 사용하며, 𝕌(1)ₙ = ¼U(1)ₚ + √15⁄4 U(1)ψ로 정의된다.
• 초위상 상수에 포함된 항들인 W_S = 𝜎𝜙S S̄ + 𝜅/3 𝜙³ + 𝜇/2 𝜙² + 𝛬𝜙를 포함하며, 분석을 단순화하기 위해 𝜇 = 0 및 𝛬 = 0으로 둔다.
• S, S̄, 𝜙의 진공 기대값에 의한 근사 전역 U(1) 대칭의 자발적 대칭 깨짐으로 인해 경량 편미분자 상태가 발생한다.
• 힉스 섹터는 두 개의 힉스 두중자(H_d, H_u)와 스이그널 S, S̄, 𝜙를 포함하며, S와 S̄는 U(1)ₙ를 깨는 큰 진공 기대값을 갖는다.
• FCNC 및 쿼크/레프톤 수의 위반을 억제하기 위해 이산 대칭 Z₂ᴹ 및 Z̃₂ᴴ를 도입한다.
• 초위상 상수 𝜅에 따라 H → aa (a = 편미분자)의 붕괴 브랜치 비율을 계산하며, 초위상성과 미세 조정 조건을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U(1)ₙ 확장된 MSSM에서 표준모형 유사 힉스 보손이 경량 편미분자 힉스 보손 쌍으로 붕괴할 확률은 얼마인가?
• RQ2 초위상 상수 𝜅가 가장 가벼운 CP-역성 힉스 상태의 질량과 붕괴 폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 실험 감도를 고려할 때, 편미분자로의 이국적 힉스 붕괴는 LHC에서 탐지 가능할 수 있는가?
• RQ4 40–60 GeV의 질량을 가진 경량 편미분자 힉스 보손을 달성하기 위해 미세 조정이 얼마나 필요한가?
• RQ5 Z₂ᴹ 및 Z̃₂ᴴ 대칭은 가장 가벼운 편미분자 및 기타 이국적 입자의 안정성과 현상학적 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 𝜅 ≈ 0.001일 경우, 가장 가벼운 CP-역성 힉스 상태는 40–60 GeV의 질량을 가질 수 있으며, 이는 미세 조정이 필요하지 않다. 그러나 H → aa의 브랜치 비율은 10⁻⁴ 이하이다.
• 𝜅 > 0.01일 경우, H → aa의 브랜치 비율이 1%를 초과하는 것이 가능해지며, 이는 최소한 1%의 미세 조정이 필요하다.
• 100 GeV 미만의 질량을 가진 경량 편미분자 힉스 보손은 표준모형 입자들과의 상호작용이 약하기 때문에 과거 및 현재의 고에너지 충돌 실험에서 탐지되지 않을 수 있다.
• 편미분자 붕괴는 주로 bb̄ 또는 𝜏𝜏̄ 최종 상태로 일어나, 검출기에서 네 페르미온 서명을 유도한다.
• 매우 경량의 중성 페르미온(예: LSP 질량 ~1 eV 이하) 존재는 뜨거운 어둠의 물질 기여를 시사하며, 중성미물리학에 영향을 미친다.
• 이 모델은 LSP와 가장 가벼운 일반 중성보노 두 개의 절대적으로 안정한 입자를 포함하며, 관측된 어둠의 물질 밀도에 기여할 수 있다.