[论文解读] Nonstandard Higgs Decays and Dark Matter in the E6SSM

Jonathan P. Hall, Stephen F. King+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用 8

一句话总结

本文研究了E6SSM中非标准希格斯衰变与暗物质，E6SSM是标准模型的超对称扩展，具有额外的U(1)ₙ规范对称性。结果表明，标准模型类希格斯 boson 可能超过95%的分支比衰变为轻的惰性中性子（LSP与NLSP），导致显著的不可见分支比和可观测的μ⁺μ⁻末态，同时LSP作为暗物质候选者，其直接探测截面接近XENON100的探测灵敏度阈值。

ABSTRACT

We study the decays of the lightest Higgs boson within the exceptional supersymmetric (SUSY) standard model (E6SSM). The E6SSM predicts three families of Higgs-like doublets plus three SM singlets that carry U(1)_{N} charges. One family of Higgs-like doublets and one SM singlet develop vacuum expectation values. The fermionic partners of other Higgs-like fields and SM singlets form inert neutralino and chargino states. Two lightest inert neutralinos tend to be the lightest and next-to-lightest SUSY particles (LSP and NLSP). The considered model can account for the dark matter relic abundance if the lightest inert neutralino has mass close to half the Z mass. In this case the usual SM-like Higgs boson decays more than 95% of the time into either LSPs or NLSPs. As a result the decays of the lightest Higgs boson into l^{+} l^{-} + X might play an essential role in the Higgs searches. This scenario also predicts other light inert chargino and neutralino states below 200 GeV and large LSP direct detection cross-sections which is on the edge of observability of XENON100.

研究动机与目标

• 研究E6SSM中轻希格斯玻色子的唯象学，特别是其衰变为不可见粒子的非标准衰变模式。
• 通过评估其遗迹丰度与直接探测截面，评估最轻惰性中性子作为暗物质候选者的可行性。
• 识别由E6SSM中奇异希格斯衰变引起的独特对撞机信号，尤其是μ⁺μ⁻末态。
• 确定惰性带电粒子与中性粒子的质量谱与耦合常数，并评估其在LHC上的可观测性。
• 探索在紫外完备的SUSY模型中，希格斯 sector、暗物质遗迹密度与直接探测约束之间的相互作用。

提出的方法

• E6SSM通过扩展的规范群SU(3)C × SU(2)W × U(1)Y × U(1)ₙ构建，其中U(1)ₙ是U(1)χ与U(1)ψ的线性组合，以确保异常抵消并保留右手中微子单态。
• 引入Z₂^H对称性以抑制味改变中性流，仅保留一个希格斯双态（Hᵤ, H_d）与一个SM单态（S）作为希格斯场，其余场构成惰性多重态。
• 最轻的CP偶宇称希格斯态被识别为标准模型类希格斯玻色子，其与规范玻色子及费米子的耦合因与惰性态的混合而发生改变。
• 最轻与次轻的惰性中性子（χ₁⁰, χ₂⁰）分别被识别为LSP与NLSP，其质量接近M_Z/2，以满足暗物质遗迹密度约束。
• 通过有效耦合至惰性中性子计算希格斯衰变分支比，当m_χ₁⁰ ≈ M_Z/2时，主导不可见衰变。
• 通过希格斯介导的自旋无关散射计算LSP的直接探测截面，其中σ_SI取决于希格斯-χ₁⁰耦合与希格斯质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 当最轻惰性中性子质量接近Z玻色子质量的一半时，标准模型类希格斯玻色子在E6SSM中的主要衰变模式是什么？
• RQ2 在E6SSM中，最轻惰性中性子能否在符合直接探测约束的前提下解释观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ3 由希格斯玻色子衰变为不可见末态所引发的独特对撞机信号（尤其是μ⁺μ⁻末态）是什么？
• RQ4 轻的惰性带电粒子与中性粒子的质量与产生截面是多少？它们是否可在LHC上被观测到？
• RQ5 希格斯耦合与衰变分支比（进入SM末态与不可见末态）如何依赖于LSP与NLSP之间的质量分裂？

主要发现

• 当最轻惰性中性子质量约为M_Z/2 ≈ 46 GeV时，标准模型类希格斯玻色子衰变为LSP与NLSP的分支比超过95%，导致主导的不可见衰变模式。
• 在基准参数场景中，标准模型类希格斯玻色子衰变为SM粒子的总分支比降至2%至4%之间，显著抑制了标准希格斯搜索通道。
• LSP的直接探测截面预测处于XENON100可观测性的边缘，其中σ_SI范围从下限（f_T^N = 0）到上限（f_T^N = 0.36），并随希格斯质量增加而减小。
• 至少存在两个惰性中性子态与一个惰性带电粒子态，其质量低于200 GeV，可通过虚W/Z玻色子的产生并随后衰变为轻子与喷注。
• 由于SM类希格斯玻色子衰变为μ⁺μ⁻ + X末态的分支比被显著抑制，该过程成为关键的发现通道，尤其在m_χ₂⁰ - m_χ₁⁰ ≥ 10 GeV的场景中。
• 该模型预测第二轻的中性子（χ₂⁰）主要通过虚Z玻色子衰变为LSP与费米子-反费米子对，但所有Δm > 20 GeV的基准场景均无法实现可观测的遗迹密度，意味着希格斯衰变中无显著喷注活动。