[论文解读] Does Supersymmetry Require Two Higgs Doublets?

Masahiro Ibe, Arvind Rajaraman+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一类低能超对称模型，通过引入新的电弱荷的费米子态来消除 gauge 异常，从而实现仅含一个 Higgs 双峰（$H_u$）的节俭型 Higgs sector，而非标准模型中的 $H_u$ 和 $H_d$ 双重态。该模型通过涉及 $H_u$ 的高维算符生成下型费米子质量，避免了 $μ$-问题，并实现了新颖的暗物质现象学，具有可行的紫外完备化方案，且由于存在新的色荷或高电荷粒子，具有独特的 LHC 签名。

ABSTRACT

We discuss a new class of low energy supersymmetric models in which the Higgs sector includes a single doublet, for example H_u, but not H_d. Chiral gauge anomalies are canceled against new electroweak-charged states. We discuss the main challenges in building such models, and present several models where these issues are addressed. The resulting phenomenology can be distinguished from that of the MSSM in a number of ways, most notably in physics related to down-type quarks and charged leptons. As a first step toward a chiral Higgs sector, we discuss the scenario of an inert H_d doublet. We show that a UV completion of such model naturally includes dark matter with novel, flavorful couplings to SM quarks.

研究动机与目标

• 构建仅需一个 Higgs 双峰（$H_u$）而非 MSSM 中标准的 $H_u$ 和 $H_d$ 双重态的异常自由且现象学可行的超对称模型。
• 解决在无 $H_d$ 的情况下生成下型夸克和带电轻子质量的挑战，利用超对称性破缺产生的高维算符。
• 通过构建有效场论和包含新费米子的紫外完备模型，探索仅含 $H_u$ 的节俭型 Higgs sector 的可行性。
• 识别由新色荷或高电荷粒子引发的独特现象学签名，如增强的 Higgs 产生和新颖的 LHC 信号。
• 在紫外完备框架下，研究具有新颖 SM 夸克耦合的味型暗物质的可能性，其中 $H_d$ 双峰为惰性态。

提出的方法

• 构建仅含 $H_u$ 的节俭型 Higgs sector，其中 $H_d$ 为惰性（不与 SM 费米子耦合）或完全不存在，以避免 $μ$-问题。
• 通过引入具有大质量的新型电弱荷费米子超多重态来实现节俭型 gauge 异常抵消，确保模型现象学可行性。
• 通过涉及 $H_u$、$F_X$（超对称性破缺）和截断尺度 $M$ 的高维算符生成下型费米子质量，形式如 $\int d^4\theta \frac{X^\dagger}{M^2} H_u^\dagger Q \bar{d}$。
• 利用额外的节俭型超多重态如 $T$、$D$、$\rho$、$\phi$ 和 $N$ 构建紫外完备模型，通过 Yukawa 和非全纯项实现异常抵消与质量生成。
• 利用超势和 Kähler 势推导新粒子与 Higgsino 的质量项，确保与超对称性和规范不变性一致。
• 分析所得谱系与现象学，包括 $S$ 和 $T$ 参数、Higgs 产生截面，以及来自新色荷或高电荷态的对撞机信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建仅含一个 Higgs 双峰（$H_u$）且异常自由、现象学可行的超对称模型？
• RQ2 在无 $H_d$ 双峰的情况下，如何在保持规范与超对称性一致的前提下生成下型夸克与带电轻子质量？
• RQ3 一个仅与 Higgsino 而不与 SM 费米子耦合的惰性 $H_d$ 双峰具有何种物理含义？
• RQ4 能否仅通过一个 $H_u$ 双峰构建完全节俭型 Higgs sector？实现异常抵消所需的必要新费米子场为何？
• RQ5 此类节俭型 Higgs 模型会引发何种独特的对撞机信号，如增强的 Higgs 产生或奇异衰变？

主要发现

• 通过引入具有大质量的新型费米子超多重态实现异常抵消，确保即使缺少 $H_d$，模型仍保持物理可行性。
• 下型费米子质量通过涉及 $H_u$、$F_X$ 和截断尺度 $M$ 的高维算符生成，质量矩阵为 $m_d = y'_{d} v_u \frac{F_X}{M^2} + Y_d v_d$，可在不引发微扰性问题的情况下实现大 $\tan\beta$。
• 在惰性 $H_d$ 情形下，Higgs 的 $b\bar{b}$ 衰变宽度相比 MSSM 被抑制为 $1/\tan^2\beta$，且 $H_u$ 行为类似 SM Higgs。
• 构建了包含镜像第四代或多个 Higgs 双峰（如三个或四个）的紫外完备模型，其中包含双、三或四重电荷粒子。
• 在含镜像第四代的模型中，Higgs 产生截面显著增强，使其可在 LHC 上被检验，且 $m_h < 600~{\rm GeV}$ 的情形已由 CMS 在 95% 置信水平下排除。
• 由于存在新的色荷或高电荷节俭型态，这些模型预测了新颖的 LHC 签名，为区分 MSSM 及其他扩展模型提供了可能。