[论文解读] Higgs bosons near 125 GeV in the NMSSM with constraints at the GUT scale

Ulrich Ellwanger, Cyril Hugonie|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 25

一句话总结

本文研究了在GUT尺度下具有非统一希格斯软对称性电荷破坏项的下一个最小超对称标准模型（NUH-NMSSM），表明一个质量为125 GeV、单 photon衰变分支比增强至标准模型预测值2.8倍的希格斯 boson 可被自然实现。该模型还预测了一个低于123 GeV的更轻、更不像标准模型的希格斯 boson，可能在大型强子对撞机（LHC）中被探测到，同时在适度精细调谐下维持了可行的暗物质丰度和直接探测约束。

ABSTRACT

We study the NMSSM with universal Susy breaking terms (besides the Higgs sector) at the GUT scale. Within this constrained parameter space, it is not difficult to find a Higgs boson with a mass of about 125 GeV and an enhanced cross section in the diphoton channel. An additional lighter Higgs boson with reduced couplings and a mass <123 GeV is potentially observable at the LHC. The NMSSM-specific Yukawa couplings lambda and kappa are relatively large and tan(beta) is small, such that lambda, kappa and the top Yukawa coupling are of order 1 at the GUT scale. The lightest stop can be as light as 105 GeV, and the fine-tuning is modest. WMAP constraints can be satisfied by a dominantly higgsino-like LSP with substantial bino, wino and singlino admixtures and a mass of ~60-90 GeV, which would potentially be detectable by XENON100.

研究动机与目标

• 探究在GUT尺度下统一软对称性电荷破坏项的严格约束下，NMSSM是否仍能自然地容纳一个质量为125 GeV、单光子衰变分支比增强的希格斯玻色子。
• 研究在具有非统一希格斯 sector 参数的约束型NMSSM框架下，是否能解释125 GeV附近观测到的单光子衰变过剩现象。
• 评估最轻中性ino作为暗物质候选者的可行性，其结果需与WMAP暗物质丰度和XENON100直接探测限制一致。
• 确定是否存在一个质量低于123 GeV的更轻CP偶性希格斯玻色子（H₁），并评估其与LEP和LHC约束的相容性。

提出的方法

• 本研究采用NUH-NMSSM（NMSSM中的非统一希格斯 sector）模型，其中除希格斯 sector 外，所有软对称性电荷破坏项在GUT尺度下统一，允许 m_Hu > m_0，从而实现强单重态-双重态混合。
• 利用规范跑动方程（RGEs）将参数从GUT尺度演化至电弱尺度，包括较大的NMSSM耦合常数 λ 和 κ 以及较小的 tanβ。
• 对参数空间进行扫描，筛选满足LHC希格斯信号强度约束（特别是 γγ 和 VV 模式）、轻希格斯玻色子的LEP限制，以及ATLAS和CMS直接超对称搜寻结果的点。
• 利用 micrOMEGAs 计算暗物质丰度，结合XENON100的约束评估直接探测截面。
• 分析最轻中性ino的组分（希格斯ino、Bino、Wino、Singlino），及其丰度和自旋无关散射截面。
• 选取基准点并进行详细分析，包括希格斯质量谱、耦合常数，以及各种产生模式（ggF、VBF）下的信号强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GUT尺度统一性约束下，NMSSM能否解释观测到的质量为125 GeV、单光子衰变分支比增强的希格斯玻色子？
• RQ2 非统一希格斯软质量对低于123 GeV的更轻CP偶性希格斯玻色子的存在性与可探测性有何影响？
• RQ3 在NUH-NMSSM中，最轻中性ino是否能满足WMAP暗物质丰度和XENON100直接探测限制？
• RQ4 大λ值与小tanβ值如何影响希格斯 sector 及该模型在LHC与LEP约束下的可行性？

主要发现

• 质量为124–125 GeV的希格斯玻色子可具有高达标准模型预测值2.8倍的单光子信号强度，这是由于强单重态-双重态混合及树图贡献所致。
• 质量在100–120 GeV之间的更轻CP偶性希格斯玻色子（H₁）可在LHC中以可观测的截面产生，尤其当 M_H₁ > 90 GeV 时更为显著。
• H₂（125 GeV）中单光子增强效应与 M_H₁ > 90 GeV 强烈相关，表明轻希格斯玻色子在中介增强过程中起关键作用。
• 最轻的上顶夸克超伴子（stop squark）质量可低至105 GeV，与ATLAS和Tevatron约束一致，且精细调谐程度比MSSM低一个数量级。
• 最轻中性ino为混合型希格斯ino-Bino-Wino-Singlino态，质量为60–90 GeV，其丰度与WMAP结果一致，直接探测截面范围从低于到高于XENON100限制。
• 该模型在GUT尺度下具有较大的NMSSM耦合常数（λ, κ, h_t ~ O(1)），暗示可能存在强相互作用动力学，且对称性电荷破坏的非统一性主要体现在 m_Hu > m_0 上。