[论文解读] Probing degenerate heavy Higgs bosons in NMSSM with vector-like particles

Fei Wang, Wenyu Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 36

一句话总结

本文通过引入向量型粒子来解决 $μ$-问题并增强希格斯玻色子的产生，研究了在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中退化重希格斯玻色子的性质。研究发现，大型强子对撞机（LHC）对高能共振态的零结果对参数空间形成了严格约束，而CP偶和CP奇希格斯玻色子 $h_2$ 与 $a_1$ 可以衰变为最轻的中性ino $\chi^0_1$，导致不可见衰变，因此未来通过 $gg \to h_2/a_1 \to \chi^0_1\chi^0_1 j$ 进行的单jet搜索将成为LHC探测该模型的关键手段。

ABSTRACT

In this work, we investigate the degenerate heavy Higgs bosons in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) by introducing vector-like particles. Such an extension is well motivated from the top-down view since some grand unified theories usually predict the existence of singlet scalars and vector-like particles at weak scale. Under the constraints from the LHC and dark matter experiments, we find that (1) the null results of searching for high mass resonances have tightly constrained the parameter space; (2) two degenerate heavy singlet Higgs bosons $h_2$ and $a_1$ can sizably decay to $χ^0_1χ^0_1$ invisibly. Therefore, search for the monojet events through the process $gg o h_2 / a_1 ( o χ^0_1 χ^0_1) j$ may further test our scenario at the future LHC.

研究动机与目标

• 探索在自上而下的模型构建动机下，NMSSM中引入向量型粒子的退化重希格斯玻色子的唯象学。
• 通过单态标量动力学和向量型费米子，解决 $\mu$-问题并缓解小层次问题。
• 在当前LHC和暗物质约束下，检验该场景的可行性。
• 识别可观测信号，特别是未来LHC搜索中可能的不可见衰变。

提出的方法

• 通过引入与单态标量场 $S$ 相互作用的向量型粒子，扩展NMSSM。
• 使用树图级希格斯势和质量矩阵形式，计算中性希格斯态（包括 $h_2$ 和 $a_1$）的质量与混合。
• 在参数空间中进行全局扫描，施加来自LHC共振态搜索、暗物质丰度和直接探测的约束。
• 计算产生截面（$gg \to h_2/a_1$）和分支比，特别是对 $\chi^0_1\chi^0_1$ 的不可见衰变。
• 分析通过向量型夸克圈贡献的二光子衰变率 $h_2/a_1 \to \gamma\gamma$。
• 识别能解释750 GeV二光子过剩现象且满足所有实验约束的基准点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM中，向量型粒子能否生成一个可行的退化重希格斯玻色子 $h_2$ 和 $a_1$ 的场景，以解释750 GeV二光子过剩？
• RQ2 当前LHC对高能共振态的搜索如何约束该模型中退化重希格斯玻色子的参数空间？
• RQ3 $h_2$ 和 $a_1$ 衰变为不可见末态（特别是 $\chi^0_1\chi^0_1$）的分支比是多少？
• RQ4 通过向量型夸克圈是否能增强 $gg \to h_2/a_1$ 的产生截面，以匹配观测到的二光子信号？
• RQ5 该模型在未来LHC搜索中的前景如何，特别是在单jet通道中？

主要发现

• LHC对高能共振态的零结果已对退化重希格斯玻色子 $h_2$ 和 $a_1$ 的参数空间形成严格约束。
• $h_2 \to \chi^0_1\chi^0_1$ 的分支比可达30%，而 $a_1 \to \chi^0_1\chi^0_1$ 的分支比可达20%。
• 在基准点中，13 TeV下 $gg \to h_2$ 的产生截面达到6.9 pb，$gg \to a_1$ 的截面达到7.7 pb。
• $h_2$ 和 $a_1$ 的二光子衰变截面 $\sigma_{\gamma\gamma}$ 为3.22 fb，与750 GeV过剩现象一致。
• $a_1$ 的主要衰变模式是 $\chi^+$ 与带电希格斯ino对的衰变，分支比为31.4%。
• 未来通过 $gg \to h_2/a_1 \to \chi^0_1\chi^0_1 j$ 进行的单jet事件搜索，为该模型在LHC中的探测提供了有希望的探测途径。