[论文解读] Collider phenomenology of the E6SSM

Peter Athron, Jonathan P. Hall+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文研究了基于 SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y×U(1)N 规范群的 E6SSM 的对撞机现象学，该模型是标准模型的超对称扩展，通过一个 singlet 场获得真空期望值（VEV）解决了 μ-问题。研究识别出奇异夸克（二夸克/轻子夸克）和惰性 Higgsino 类中性子作为关键信号，若最轻中性子质量接近 MZ/2，则可提供可行的暗物质，且 SM 类希格斯玻色子主要发生不可见衰变，为 LHC 提供独特信号。

ABSTRACT

We consider collider signatures of the exceptional supersymmetric (SUSY) standard model (E6SSM). This E6 inspired SUSY model is based on the SM gauge group together with an extra U(1) gauge symmetry under which right--handed neutrinos have zero charge. To ensure anomaly cancellation and gauge coupling unification the low energy matter content of the E6SSM involve extra exotic matter beyond the MSSM. We discuss the collider signatures associated with the production of new particles predicted by the E6SSM and consider the implications of this model for dark matter and Higgs phenomenology. Since exotic quarks in the E6SSM can be either diquarks or leptoquarks they may provide spectacular new physics signals at the LHC.

研究动机与目标

• 探索基于 E6 启发的超对称模型 E6SSM 的对撞机现象学，该模型通过 singlet 场的 VEV 解决 μ-问题。
• 识别来自奇异夸克（二夸克/轻子夸克）的独特信号，这些奇异夸克可在 LHC 上产生显著的新物理信号。
• 分析最轻惰性中性子作为暗物质候选者的可行性，要求其质量接近 MZ/2 以通过 Z 玻色子共振实现正确的遗迹密度。
• 研究对希格斯现象学的影响，特别是 SM 类希格斯玻色子向惰性中性子的主导不可见衰变。
• 通过包含 E6 的完整 27 和 27′ 表示，确保规范耦合统一和异常消除。

提出的方法

• 该模型基于 E6SSM 规范群 SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y×U(1)N，其中 U(1)N 的选择使得右手中微子为 singlet，从而确保异常消除并解决 μ-问题。
• 粒子内容包括三个 E6 的 27i 多重态，分解为 SU(5)×U(1)N 表示，引入具有 B-L 量子数 ±2/3 的奇异夸克（D̃i, D̃i̅）及希格斯双态分量。
• 最轻中性子（χ̃0₁）主要为惰性 singlino，其与 Z 和希格斯玻色子的耦合被抑制，除非其质量接近 MZ/2，从而可通过共振湮灭实现正确的暗物质遗迹密度。
• SM 类希格斯玻色子 h₁ 主要通过其 Higgsino 分量与 χ̃0₁χ̃0₁ 衰变，导致其向 SM 粒子的分支比降低至仅 2–4%。
• 模型中额外包含来自 27′ 和 Ḃ27′ 的 SU(2)W 双态 L4 和 L̄4，以保持规范耦合统一，其组分形成惰性 Higgsino 状态。
• 通过遗迹密度、LHC 搜索和希格斯信号强度推导出现象学约束，关键信号涉及奇异夸克衰变产生的缺失能量、轻子和喷注。

实验结果

研究问题

• RQ1 E6SSM 是否能通过作为二夸克或轻子夸克的奇异夸克在 LHC 上产生可观测信号？
• RQ2 在什么条件下，E6SSM 中最轻惰性中性子可解释观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ3 SM 类希格斯玻色子与惰性中性子状态的耦合如何影响其分支比和在 LHC 上的可探测性？
• RQ4 E6SSM 是否能在保持异常消除并解决 μ-问题的同时实现规范耦合统一？
• RQ5 该模型对轻子生成有何影响，特别是对通过轻右手中微子实现成功热轻子生成的影响？

主要发现

• 只有当最轻惰性中性子（χ̃0₁）的质量约为 MZ/2 ≈ 46 GeV 时，才能解释观测到的暗物质遗迹密度，此时可通过 Z 玻色子共振实现湮灭。
• SM 类希格斯玻色子 h₁ 主要衰变为不可见末态（χ̃0₁χ̃0₁），由于与惰性 Higgsino 分量的强耦合，其向 SM 粒子的分支比被抑制至仅 2–4%。
• E6SSM 中的奇异夸克（如 D̃i 和 D̃i̅）可在 LHC 上成对产生，并衰变为包含喷注、轻子和缺失能量的末态，提供显著的新物理信号。
• 轻的惰性带电粒子和中性子（质量 < 200 GeV）的存在增强了最轻中性子的产生和衰变速率，使其可通过包含轻子和缺失能量的末态被探测。
• 当 χ̃0₂ 与 χ̃0₁ 的质量差超过 10 GeV 时，χ̃0₂ 的部分衰变产物可能可观测，包括软 μ⁺μ⁻ 对，为该模型提供潜在信号。
• 该模型对任意物理上可接受的 α₃(MZ) 值均可实现规范耦合统一，且通过完整包含 27 和 27′ 表示，异常消除得以保持。