[论文解读] 125 GeV Higgs and enhanced diphoton signal of a light singlet-like scalar in NMSSM

Marcin Badziak, Marek Olechowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文提出在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中存在一种情形，即一个轻量级的单态型标量玻色子（60–110 GeV）与底夸克和τ夸克的耦合被强烈抑制。由于与标准模型型希格斯玻色子混合，该单态使双光子衰变率提高至三倍，同时125 GeV希格斯玻色子在WW*/ZZ*和双光子通道中的信号强度降低，与LHC数据和LEP约束一致。

ABSTRACT

NMSSM with a light singlet-like scalar and strongly suppressed couplings to $b$ and $τ$ is investigated. It is shown that in such a scenario the singlet-like scalar to diphoton signal can be larger than for the SM Higgs for a wide range of masses between 60 and 110 GeV, in agreement with all the LEP and LHC data. Enhancement of the singlet-like scalar to diphoton signal is correlated with positive correction to the SM-like Higgs mass from mixing between SM-like Higgs and the singlet. It is also shown that the couplings to $b$ and $τ$ and, in consequence, branching ratios of the SM-like Higgs are anti-correlated with those of the singlet-like scalar. If the singlet-like scalar to diphoton signal is enhanced, the signal strengths of the 125 GeV Higgs in the diphoton and $WW^*/ZZ^*$ channels are predicted to be smaller than for the SM Higgs.

研究动机与目标

• 探索NMSSM参数空间中一个质量低于110 GeV且与底夸克和τ夸克耦合被抑制的轻量单态型标量玻色子区域。
• 研究标准模型型希格斯玻色子与单态型标量之间的混合如何将有效希格斯质量提升至125 GeV，从而减少对重顶夸克（heavy stops）的需求。
• 评估该轻量单态型标量增强双光子衰变率的可行性，同时与LEP和LHC希格斯数据保持一致。
• 确定该情形是否能解释观测到的125 GeV希格斯玻色子信号，同时在双光子和矢量玻色子衰变通道中预测可观测的偏离。

提出的方法

• 在（ĥ, Ĥ, ŝ）基底下构建NMSSM中的CP偶宇称标量质量矩阵，包含标准模型型希格斯（h）、一个重CP偶态（H）和一个单态型标量（s）之间的混合。
• 利用超势项 $ W_{\text{NMSSM}} = \lambda S H_u H_d + \kappa S^3/3 $ 生成有效μ项并定义标量势。
• 通过 $ (\delta m_h^2)^{\text{rad}} $ 项施加辐射修正至标准模型型希格斯质量，纳入以 $ M_{\text{SUSY}} $ 和 $ X_t $ 参数表示的顶夸克圈贡献。
• 利用混合系数 $ \overline{g}_x, \beta^{(H)}_x, \beta^{(s)}_x $ 推导费米子和矢量玻色子的耦合修正，其中 $ C_{b_x} = \overline{g}_x + \beta^{(H)}_x \tan\beta $。
• 对参数 $ m_s $, $ \lambda $, $ \tan\beta $, 和 $ A_\lambda $ 进行数值扫描，强制满足LEP对 $ s \to b\bar{b} $ 和 $ s \to \tau\bar{\tau} $ 衰变的约束。
• 使用LHC数据在95%置信水平下评估信号强度 $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} $, $ R_{VV}^{(h)} $, 和 $ R_{\gamma\gamma}^{(h)} $，以约束可行的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM中，一个轻量单态型标量能否在与LEP和LHC数据一致的前提下，使其双光子衰变率超过标准模型预测？
• RQ2 标准模型型希格斯玻色子与单态型标量之间的混合如何影响125 GeV希格斯玻色子的质量及其信号强度？
• RQ3 在抑制 $ s \to b\bar{b} $ 和 $ s \to \tau\bar{\tau} $ 衰变的前提下，$ s \to \gamma\gamma $ 的最大增强能达到多少？
• RQ4 由于与单态的混合，125 GeV希格斯玻色子在 $ \gamma\gamma $ 和 $ WW^*/ZZ^* $ 通道中的信号强度降低程度如何？
• RQ5 该模型能否通过更轻的顶夸克（stops）解释125 GeV希格斯玻色子质量？这对小层次问题有何影响？

主要发现

• 该单态型标量可使其双光子衰变率提高至三倍，$ R_{\gamma\gamma}^{(s)} \approx 3 $，质量范围为60至110 GeV。
• 即使施加LHC约束后，对于 $ m_s \in [60, 110] $ GeV，仍可能实现 $ R_{\gamma\gamma}^{(s)} > 1 $，在约70 GeV附近出现约两倍的峰值增强。
• 由于与单态混合，125 GeV希格斯玻色子在 $ WW^*/ZZ^* $ 通道中的信号强度低于标准模型值，可行参数空间中 $ R_{VV}^{(h)} < 1 $。
• 125 GeV希格斯玻色子的双光子信号强度也受到抑制，当 $ \tan\beta $ 中等至较大时，$ R_{\gamma\gamma}^{(h)} \approx R_{VV}^{(h)} $，与LHC数据一致。
• 来自混合的对标准模型型希格斯质量的正修正在5–7 GeV之间，允许使用更轻的顶夸克质量，从而缓解小层次问题。
• 双光子增强最大的情形被LHC数据排除，但轻量标量的信号强度达到标准模型值两倍的情形仍可行且可观测。