[論文レビュー] Nonstandard Higgs Decays and Dark Matter in the E6SSM

Jonathan P. Hall, Stephen F. King+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、追加のU(1)ₙゲージ対称性を有する標準模型の超対称的拡張であるE6SSMにおいて、非標準的ヒッグス崩壊およびダークマターを調査する。標準模型に類似たヒッグス粒子は、95%以上の割合で軽い不活性ニュートリノ（LSPおよびNLSP）に崩壊し、大きな非可視分岐比と観測可能なμ⁺μ⁻最終状態を生じる。一方、LSPは直接検出断面積がXENON100の感度限界付近にある、実現可能なダークマター候補である。

ABSTRACT

We study the decays of the lightest Higgs boson within the exceptional supersymmetric (SUSY) standard model (E6SSM). The E6SSM predicts three families of Higgs-like doublets plus three SM singlets that carry U(1)_{N} charges. One family of Higgs-like doublets and one SM singlet develop vacuum expectation values. The fermionic partners of other Higgs-like fields and SM singlets form inert neutralino and chargino states. Two lightest inert neutralinos tend to be the lightest and next-to-lightest SUSY particles (LSP and NLSP). The considered model can account for the dark matter relic abundance if the lightest inert neutralino has mass close to half the Z mass. In this case the usual SM-like Higgs boson decays more than 95% of the time into either LSPs or NLSPs. As a result the decays of the lightest Higgs boson into l^{+} l^{-} + X might play an essential role in the Higgs searches. This scenario also predicts other light inert chargino and neutralino states below 200 GeV and large LSP direct detection cross-sections which is on the edge of observability of XENON100.

研究の動機と目的

• E6SSMにおける最軽いヒッグス粒子の素粒子物理学的性質、特に非可視粒子への非標準的崩壊モードを調査すること。
• リリック密度と直接検出断面積の評価を通じて、最軽い不活性ニュートリノがダークマター候補として妥当であるかを評価すること。
• 特にμ⁺μ⁻最終状態における特徴的な加速器シグナルを、E6SSMにおける特異なヒッグス崩壊から同定すること。
• 不活性チャージノおよびニュートリノの質量スペクトルと結合定数を特定し、LHCでの観測可能性を評価すること。
• UV完全なSUSYモデルとしてのHiggs系、ダークマターのリリック密度、および直接検出制約の間の相乗作用を調査すること。

提案手法

• E6SSMは、U(1)ₙがU(1)χとU(1)ψの線形結合として定義され、異常キャンセリングと右巻きニュートリノの単位的性質を保証する、拡張されたゲージ群SU(3)C × SU(2)W × U(1)Y × U(1)ₙで定式化される。
• フレーバー変換中性荷電子を抑制するためにZ₂^H対称性が導入され、これによりヒッグス場は1つのヒッグスダブルレット（Hᵤ, H_d）と1つのSMシングレット（S）に限定され、残りは不活性多重項を形成する。
• 最軽いCP偶性ヒッグス状態は、不活性状態との混合によりゲージボソンおよびフェルミオンへの結合が修正された、標準模型に類似たヒッグス粒子として特定される。
• 最軽いおよび2番目に軽い不活性ニュートリノ（χ₁⁰, χ₂⁰）はそれぞれLSPおよびNLSPとして特定され、ダークマターのリリック密度制約を満たすためにM_Z/2付近の質量を有する。
• ヒッグス崩壊分岐比は、不活性ニュートリノへの有効結合を用いて計算され、m_χ₁⁰ ≈ M_Z/2のとき非可視崩壊が支配的になる。
• LSPの直接検出断面積は、ヒッグス媒介のスピン非依存散乱を通じて計算され、σ_SIはヒッグス-χ₁⁰結合とヒッグス質量に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最軽い不活性ニュートリノ質量がZボソン質量の半分（約M_Z/2 ≈ 46 GeV）に近い場合、E6SSMにおける標準模型に類似たヒッグス粒子の主要な崩壊モードは何か？
• RQ2 E6SSMにおける最軽い不活性ニュートリノは、観測可能な直接検出制約と整合しながら、観測されたダークマターのリリック密度を説明できるか？
• RQ3 E6SSMにおける非可視状態への特異なヒッグス崩壊から生じる、特にμ⁺μ⁻最終状態における特徴的な加速器シグナルは何か？
• RQ4 軽い不活性チャージノおよびニュートリノの質量と生成断面積は何か？また、LHCで観測可能か？
• RQ5 LSPとNLSP間の質量差に応じて、ヒッグス結合およびSMおよび非可視最終状態への分岐比はどのように変化するか？

主な発見

• 最軽い不活性ニュートリノ質量がM_Z/2 ≈ 46 GeVに近い場合、標準模型に類似たヒッグス粒子はLSPおよびNLSP状態への崩壊分岐比が95%を超えるため、支配的な非可視崩壊モードとなる。
• ベンチマークシナリオでは、標準模型に類似たヒッグス粒子のSM粒子への全分岐比が2%〜4%にまで低下し、標準的ヒッグス探索チャネルが著しく抑制される。
• LSPの直接検出断面積はXENON100の感度限界付近に予測され、σ_SIは下限（f_T^N = 0）から上限（f_T^N = 0.36）の範囲にあり、ヒッグス質量が増加するにつれて減少する。
• 少なくとも2つの不活性ニュートリノ状態と1つの不活性チャージノ状態が200 GeV未満の質量を持つと予測され、オフシェルW/Zボソンを介したペア生成と、その後のレプトンおよびジェットへの崩壊が可能となる。
• 標準模型に類似たヒッグス粒子のμ⁺μ⁻ + X最終状態への崩壊は、特にm_χ₂⁰ - m_χ₁⁰ ≥ 10 GeVの状況では、重要な発見チャンネルとなる。
• このモデルでは、2番目に軽いニュートリノ（χ₂⁰）が仮想Zボソンを介してLSPおよびフェルミオン-反フェルミオン対に崩壊するが、Δm > 20 GeVのベンチマークではリリック密度が妥当ではなく、ヒッグス崩壊における顕著なジェット活性は見られない。