[论文解读] SUSY effects in Higgs productions at high energy $e^+e^-$ colliders

Junjie Cao, Chengcheng Han+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 4

一句话总结

本文研究了在高能 $e^+e^-$ 和光子对撞机中规范耦合的超对称（SUSY）效应，重点关注 $e^+e^- \to Zh$、$\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 以及 NMSSM 中的奇异 Higgs 过程 $e^+e^- \to Zh_1$ 和 $e^+e^- \to A_1h$。研究发现，$e^+e^- \to Zh$ 的超对称修正可达百分之几，$\gamma\gamma \to h$ 截面可增强 20%，在 250 GeV 时 $Zh_1$ 产生率可达 60 fb，为非最小超对称模型提供了探测途径。

ABSTRACT

Considering the constraints from collider experiments and dark matter detections, we investigate the SUSY effects in the Higgs productions $e^+e^- o Zh$ at an $e^+e^-$ collider with a center-of-mass energy above 240 GeV and $γγ o h o b\bar{b}$ at a photon collider with a center-of-mass energy above 125 GeV. In the parameter space allowed by current experiments, we find that the SUSY corrections to $e^+e^- o Zh$ can reach a few percent and the production rate of $γγ o h o b\bar{b}$ can be enhanced by a factor of 1.2 over the SM prediction. We also calculate the exotic Higgs productions $e^+e^- o Zh_1$ and $e^+e^- ightarrow A_1h$ in the next-to-minimal supersymmetric model (NMSSM) ($h$ is the SM-like Higgs, $h_1$ and $A_1$ are respectively the CP-even and CP-odd singlet-dominant Higgs bosons which can be much lighter than $h$). We find that at a 250 GeV $e^+e^-$ collider the production rates of $e^+e^- ightarrow Zh_1$ and $e^+e^- o A_1h$ can reach 60 fb and 0.1 fb, respectively.

研究动机与目标

• 评估超对称（SUSY）对高能 $e^+e^-$ 和光子对撞机中 Higgs 产生过程的影响，考虑当前实验约束。
• 研究是否可通过 Higgs 耦合的精密测量和 NMSSM 中奇异 Higgs 产生，探测超对称的间接信号。
• 评估未来 $e^+e^-$ 对撞机（如 CEPC、ILC、TLEP）通过稀有 Higgs 通道探测非最小超对称模型的灵敏度。
• 量化在考虑 LHC Higgs 数据和暗物质探测限制的前提下，$e^+e^- \to Zh$ 和 $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 中超对称修正的大小。

提出的方法

• 在 pMSSM 和 CMSSM 框架中进行全局参数扫描，结合 LHC Higgs 数据、暗物质丰度和直接 SUSY 搜索的约束。
• 使用有效场论和完整单圈图计算 $e^+e^- \to Zh$ 的单圈电弱和超对称修正。
• 通过带电超对称粒子（包括带电胶子和带电 Higgs）的圈图贡献，评估 $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 过程。
• 在 NMSSM 中研究奇异 Higgs 产生通道 $e^+e^- \to Zh_1$ 和 $e^+e^- \to A_1h$，其中 $h_1$ 和 $A_1$ 是轻于标准模型 Higgs 的单态主导 Higgs 粒子。
• 在 $\sqrt{s} = 250$ GeV 的 $e^+e^-$ 和高于 125 GeV 的 $\gamma\gamma$ 对撞中计算截面，并施加运动学和耦合约束。
• 分析将 $hZZ$ 耦合偏离标准模型作为关键控制参数，尤其对 $Zh_1$ 产生具有重要意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前 LHC 和暗物质约束下，250 GeV $e^+e^-$ 对撞机中是否可在百分之一水平探测到 $e^+e^- \to Zh$ 产生中的超对称效应？
• RQ2 在光子对撞机中，SUSY 圈图贡献可使 $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 截面增强多少？
• RQ3 在 250 GeV $e^+e^-$ 对撞机中，NMSSM 中奇异 Higgs 状态 $Zh_1$ 和 $A_1h$ 的产生率是多少？
• RQ4 $Zh_1$ 和 $A_1h$ 产生截面对 $hZZ$ 耦合偏离标准模型值的敏感度如何？
• RQ5 $e^+e^- \to Zh_1$ 和 $e^+e^- \to A_1h$ 通道能否作为非最小超对称模型（如 NMSSM）的可行探测工具？

主要发现

• 在当前 LHC 和暗物质约束允许的参数空间中，$e^+e^- \to Zh$ 的超对称修正可达百分之几。
• $\gamma\gamma \to h \to b\bar{b}$ 截面可因超对称圈图贡献而增强至标准模型预测的 1.2 倍，尤其来自带电 Higgs 和带电胶子的贡献。
• 在 $\sqrt{s} = 250$ GeV 时，NMSSM 中 $e^+e^- \to Zh_1$ 的产生率最高可达 60 fb，且由于混合导致的 $h_1ZZ$ 耦合增强，截面随 $h_1$ 质量增加而上升。
• $e^+e^- \to A_1h$ 的产生率最大为 0.1 fb，远小于 $Zh_1$，原因在于 $ZA_1h$ 耦合较弱且在低 $A_1$ 质量下存在运动学抑制。
• $Zh_1$ 截面对 $hZZ$ 耦合偏离标准模型值高度敏感，当耦合趋近标准模型值时，截面急剧下降。
• $A_1h$ 通道即使在 $hZZ$ 耦合为标准模型值时仍可探测，截面最高达 0.1 fb，表明对 $hZZ$ 耦合变化具有鲁棒性。