[論文レビュー] LHC phenomenology with hidden sector dark matter: a long-lived stau and heavy Higgs in an observable range

Amin Aboubrahim, Pran Nath|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、長寿命のストーオとヒッグスチンに類似したダークマター候補を含む隠れたセクターを有する、MSSM/SUGRAフレームワークのU(1)拡張を提案する。キネティックおよびスティュッケルベルク質量混合を通じて、ストーオはLHCのトラッカー内での崩壊を経て観測可能となる。メジャナラヒッグスチンと隠れたセクターからのディラックフェルミオンを併せ持つ二成分のダークマター模型により、十分な光度を持つHL-LHCおよびHE-LHCで、最大750 GeVの重いCP-odd Higgsボソンが検出可能となる。

ABSTRACT

The presence of a hidden sector with very weak interactions with the standard model has significant implications on LHC signatures. In this work we discuss LHC phenomenology with the inclusion of a hidden sector by a $U(1)$ extension of MSSM/SUGRA. We consider both kinetic mixing and Stueckelberg mass mixing between the $U(1)$ gauge field of the hidden sector and $U(1)_Y$ of the visible sector. Such a model has an extended parameter space. We consider here two limited regions of this parameter space. In the first case we consider a $U(1)$ gauge field along with chiral fields needed for the Stueckelberg mechanism to operate and discuss the mixing between the hidden and the visible sectors. Here if the stau is the lightest sparticle in the MSSM sector and the neutralino of the hidden sector is the LSP of the full system and a dark matter candidate, the stau can be long-lived and decay inside an LHC detector tracker. In the second case we include extra vectorlike matter in the hidden sector which can give rise to a Dirac fermion in addition to the two neutralinos in the hidden sector. The neutralino sector now has six neutralinos and we assume that the lightest of these is the LSP and is higgsino-like. In this case the dark matter is constituted of a Majorana and a Dirac fermion, and a small $μ$ leads to heavy Higgs boson masses which reside in the observable range of HL-LHC and HE-LHC.

研究の動機と目的

• 弱い相互作用を示すダークマターを有する隠れたセクターを有するU(1)拡張MSSM/SUGRAモデルにおけるLHCの素粒子物理学的現象を調査すること。
• 内積検出器におけるずれた軌跡を通じて観測可能な新しい物理のサインとなる長寿命ストーオの可能性を調査すること。
• 可視セクターにおけるヒッグスチンに類似したLSPと、隠れたセクターからのディラックフェルミオンが共存する二成分のダークマター状況を検討すること。
• 小さなμパラメータの文脈において、重いCP-odd Higgsボソン（A）をHL-LHCおよびHE-LHCで発見するための到達可能性を評価すること。
• 現実的な系統的不確実性を考慮した状態で、τhτh最終状態におけるCP-odd Higgsボソンの観測に必要な統合光度を定量化すること。

提案手法

• MSSMとキネティック混合およびスティュッケルベルク質量混合を通じて結合するU(1)Xゲージ群を導入し、6×6のニュートラリノ質量行列を導出する。
• ストーオを次に軽い超対称粒子（NLSP）とし、隠れたセクターのニュートラリノを最も軽い超対称粒子（LSP）とすることで、長寿命ストーオの崩壊を可能にする。
• 隠れたセクターにベクトル型物質を導入し、ディラックフェルミオン成分を生成することで、メジャナラヒッグスチンLSPを補完する。
• 小さなμパラメータを用いた放射的電弱対称性の破れにより、自然にヒッグスチンに類似したLSPを生成し、リリック密度を抑制する。
• CP-odd Higgsボソンのτhτh最終状態における発見可能性を評価するため、モデルのパrameter空間におけるベンチマークスキャンを実施する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、YR18の系統的不確実性を含めたHL-LHCおよびHE-LHCにおける必要統合光度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSMセクターからの長寿命ストーオが、隠れたセクターのニュートラリノと混合することによってLHCで観測可能か？
• RQ2 HL-LHCおよびHE-LHCにおける、τhτh最終状態における重いCP-odd Higgsボソン（A）の観測に必要な統合光度はどの程度か？
• RQ3 YR18の系統的不確実性は、このモデルにおけるHiggsボソン発見のための光度要件にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ヒッグスチンとディラックフェルミオンを併せ持つ二成分のダークマター状況は、観測されたリリック密度を満たしつつ、直接検出制約と整合的か？
• RQ5 小さなμおよび隠れたセクターの拡張を持つモデルにおいて、HL-LHCおよびHE-LHCがカバー可能なCP-odd Higgsボソンの質量範囲はどの程度か？

主な発見

• 選択されたストーオベンチマークの半数がHL-LHCで発見可能であり、より広いストーオ質量範囲ではHE-LHCでも全ベンチマークが検出可能である。
• tanβ ≤ 12の条件下で、3000 fb⁻¹の統合光度を用いることで、HL-LHCで最大450 GeVまでのCP-odd Higgsボソンが観測可能である。
• HE-LHCでは、約2600 fb⁻¹の統合光度で、750 GeVまでのCP-odd Higgsボソンが観測可能であり、最適な15 ab⁻¹よりもはるかに低い値である。
• 系統的不確実性（YR18）により、必要光度はベンチマークに応じて1.5〜4倍に増加し、特にHE-LHCでのみ発見可能な点で顕著である。
• 隠れたセクター内のディラックフェルミオンがリリック密度を支配し、ヒッグスチンが劣勢だが妥当な寄与を示す。
• モデルは1 TeV未満の質量を持つ重いヒッグス系を予測しており、特にτhτh最終状態において、HL-LHCおよびHE-LHCで検出可能である。