[论文解读] LHC phenomenology with hidden sector dark matter: a long-lived stau and heavy Higgs in an observable range

Amin Aboubrahim, Pran Nath|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 40被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种U(1)扩展的MSSM/SUGRA框架，其中包含一个长寿命的停微子和一个类希格斯ino的暗物质候选者。通过规范性和Stueckelberg质量混合，停微子在LHC探测器内衰变，从而可观察到长寿命的带电粒子。该双组分暗物质模型包含一个马约拉纳型希格斯ino和一个来自隐藏 sector 的狄拉克费米子，使得重的CP-odd Higgs玻色子（最高可达750 GeV）在足够亮度的HL-LHC和HE-LHC上可被探测到。

ABSTRACT

The presence of a hidden sector with very weak interactions with the standard model has significant implications on LHC signatures. In this work we discuss LHC phenomenology with the inclusion of a hidden sector by a $U(1)$ extension of MSSM/SUGRA. We consider both kinetic mixing and Stueckelberg mass mixing between the $U(1)$ gauge field of the hidden sector and $U(1)_Y$ of the visible sector. Such a model has an extended parameter space. We consider here two limited regions of this parameter space. In the first case we consider a $U(1)$ gauge field along with chiral fields needed for the Stueckelberg mechanism to operate and discuss the mixing between the hidden and the visible sectors. Here if the stau is the lightest sparticle in the MSSM sector and the neutralino of the hidden sector is the LSP of the full system and a dark matter candidate, the stau can be long-lived and decay inside an LHC detector tracker. In the second case we include extra vectorlike matter in the hidden sector which can give rise to a Dirac fermion in addition to the two neutralinos in the hidden sector. The neutralino sector now has six neutralinos and we assume that the lightest of these is the LSP and is higgsino-like. In this case the dark matter is constituted of a Majorana and a Dirac fermion, and a small $μ$ leads to heavy Higgs boson masses which reside in the observable range of HL-LHC and HE-LHC.

研究动机与目标

• 探索具有弱相互作用暗物质的隐藏 sector 的U(1)扩展MSSM/SUGRA模型在LHC中的现象学。
• 研究长寿命停微子作为新物理信号的可行性，可通过内层探测器中的位移轨迹被探测到。
• 研究双组分暗物质情景，其中可见 sector 中的类希格斯ino LSP 与隐藏 sector 中的狄拉克费米子共存。
• 评估在小μ参数背景下，HL-LHC和HE-LHC对重CP-odd Higgs玻色子（A）的探测能力。
• 量化在现实系统不确定性下，观测τhτh末态中CP-odd Higgs玻色子所需的积分亮度。

提出的方法

• 通过规范混合和Stueckelberg质量混合引入一个U(1)X规范群，与MSSM耦合，形成6×6中性子质量矩阵。
• 将停微子建模为次轻量超对称粒子（NLSP），隐藏 sector 中的中性子为最轻量超对称粒子（LSP），从而实现长寿命停微子衰变。
• 在隐藏 sector 中引入向量型物质以生成狄拉克费米子分量，补充马约拉纳型希格斯ino LSP。
• 采用辐射电弱对称性自发破缺并使用小μ参数，自然产生类希格斯ino LSP并抑制遗迹密度。
• 对模型参数空间进行基准扫描，以评估在τhτh末态中CP-odd Higgs玻色子的发现潜力。
• 使用蒙特卡洛模拟估算HL-LHC和HE-LHC所需的积分亮度，包括系统不确定性（YR18）

实验结果

研究问题

• RQ1 由于与隐藏 sector 中性子的混合，MSSM sector 中的长寿命停微子是否可在LHC中被观测到？
• RQ2 在HL-LHC和HE-LHC上，观测质量为重的CP-odd Higgs玻色子（A）在τhτh末态中所需的积分亮度是多少？
• RQ3 系统不确定性（YR18）如何影响该模型中Higgs玻色子发现所需的亮度？
• RQ4 双组分暗物质情景（包含希格斯ino和狄拉克费米子）是否能饱和观测到的遗迹密度，同时与直接探测约束一致？
• RQ5 在小μ和隐藏 sector 扩展的模型中，HL-LHC和HE-LHC可探测到的CP-odd Higgs玻色子的质量范围是什么？

主要发现

• 在选定的停微子基准点中，有一半可在HL-LHC上被发现，而所有基准点在更宽的停微子质量范围内均可在HE-LHC上被发现。
• 当tanβ ≤ 12时，使用3000 fb⁻¹的积分亮度，CP-odd Higgs玻色子在HL-LHC上可探测到的质量最高达450 GeV。
• 在HE-LHC上，质量高达750 GeV的CP-odd Higgs玻色子可在约2600 fb⁻¹的积分亮度下被探测到，远低于最优的15 ab⁻¹。
• 系统不确定性（YR18）使所需亮度增加1.5至4倍，具体取决于基准点，尤其对仅在HE-LHC上可探测的点影响更大。
• 隐藏 sector 中的狄拉克费米子主导了遗迹密度，使得希格斯ino可贡献次要但可行的份额。
• 该模型预测一个质量低于1 TeV的重Higgs玻色子，使其在HL-LHC和HE-LHC上可被探测，特别是在τhτh末态中。