[论文解读] Exotic Higgs decays in U(1) extensions of the MSSM

Peter Athron, Margarete Mühlleitner+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了在MSSM的U(1)ₙ扩展中，特别是受E₆启发的超对称模型中，奇异希格斯玻色子衰变为一对赝标量希格斯玻色子的衰变过程。研究发现，当超电位耦合𝜅 > 0.01时，此类衰变的分支比可超过1%，但由于信号速率较小且需要精细调节，其探测仍具挑战性。

ABSTRACT

We study the decays of the lightest CP-even Higgs boson into a pair of pseudoscalar Higgs states within U(1)_N extensions of the MSSM.

研究动机与目标

• 研究MSSM的U(1)ₙ扩展中奇异希格斯衰变为赝标量希格斯态的唯象学。
• 评估尽管分支比较小，此类衰变在大型强子对撞机（LHC）上探测的可行性。
• 确定奇异衰变分支比对超电位耦合𝜅的依赖关系。
• 分析近似全局U(1)对称性及其通过S、S̄和𝜙的真空期望值实现自发破缺的作用。
• 评估轻赝标量对暗物质和中微子物理在这些模型中的影响。

提出的方法

• 该研究采用受E₆启发的SUSY模型，其中引入了由𝕌(1)ₙ = ¼U(1)ₚ + √15⁄4 U(1)ψ定义的附加U(1)ₙ规范对称性。
• 超电位包含项W_S = 𝜎𝜙S S̄ + 𝜅/3 𝜙³ + 𝜇/2 𝜙² + 𝛬𝜙，其中𝜇 = 0且𝛬 = 0以简化分析。
• 通过S、S̄和𝜙的真空期望值实现近似全局U(1)对称性的自发破缺，从而产生一个轻赝标量态。
• 希格斯 sector 包含两个希格斯双态（H_d, H_u）以及单态S、S̄和𝜙，其中S和S̄获得大的真空期望值，从而破缺U(1)ₙ。
• 该模型施加了离散对称性Z₂ᴹ和Z̃₂ᴴ，以抑制FCNC和轻子/重子数违反。
• 计算了H → aa（a = 赝标量）的分支比作为耦合𝜅的函数，同时受到微扰性和精细调节的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MSSM的U(1)ₙ扩展中，标准模型样希格斯玻色子衰变为一对轻赝标量希格斯玻色子的分支比是多少？
• RQ2 超电位中的耦合𝜅如何影响最轻CP-奇希格斯态的质量和衰变宽度？
• RQ3 在当前实验灵敏度下，能否在LHC上探测到希格斯玻色子衰变为赝标量的奇异衰变？
• RQ4 为实现质量在40–60 GeV范围内的轻赝标量希格斯玻色子，精细调节的影响是什么？
• RQ5 Z₂ᴹ和Z̃₂ᴴ对称性如何影响最轻赝标量及其他奇异态的稳定性和唯象学？

主要发现

• 当𝜅 ≈ 0.001时，最轻CP-奇希格斯态的质量可达到40–60 GeV而无需精细调节，但其衰变H → aa的分支比小于10⁻⁴。
• 当𝜅 > 0.01时，H → aa的分支比可超过1%，但至少需要1%的精细调节。
• 若轻赝标量希格斯玻色子质量低于100 GeV，由于其与SM粒子的弱耦合，可能在过去的和当前的对撞机实验中无法被探测到。
• 赝标量主要衰变为bb̄或𝜏𝜏̄末态，导致探测器中产生四费米子末态。
• 存在极轻的中性费米子（LSP质量≤1 eV）表明存在热暗物质贡献，对中微子物理具有影响。
• 该模型包含两个绝对稳定的粒子——LSP和最轻的普通中性子——可能对观测到的暗物质密度有贡献。