Higgs Bosons as Probes of Nonminimal Supersymmetric Models

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2766-2
Title: Higgs Bosons as Probes of Nonminimal Supersymmetric Models
Author: Waltari, Harri
Other contributor: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, fysiikan laitos
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, institutionen för fysik
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2017-05-18
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2766-2
http://hdl.handle.net/10138/180946
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The experiments at the Large Hadron Collider (LHC) have confirmed that the Standard Model (SM) is a good description of particle physics at the electroweak scale. The Standard Model is still incomplete, since it does not explain e.g. neutrino masses, dark matter, dark energy or gravity. Supersymmetry is a well motivated way to extend the Standard Model. The minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) has become somewhat fine-tuned after the first run of the LHC and therefore the detailed study of nonminimal supersymmetric models is highly motivated. We studied phenomenological implications of some nonminimal supersymmetric models especially in the light of the recent discovery of a Higgs boson. Our studies focused on supersymmetry without R-parity and left-right symmetric supersymmetric models. In the MSSM a 125 GeV Higgs requires rather heavy superpartners. In nonminimal models the Higgs mass can be lifted by contributions from new particles at tree-level, loop-level or by mixing effects. We found that if we introduce spontaneous R-parity violation, the mixing between the SM-like Higgs and a right-handed sneutrino can increase the mass of the SM-like Higgs if the sneutrino-like state is lighter than 125 GeV. One does not need as heavy superpartners as in the MSSM and thus fine-tuning is not as severe. If the Higgs mass gets additional contributions, the squarks of the third generation can be more easily within the reach of the LHC. If R-parity is not imposed, the squarks can have new decay modes, which can have a large branching fraction. As an example we studied a model, where R-charges are identified with the lepton number and found that the discovery potential for the stop decaying to a bottom quark and a positron is well beyond 1 TeV squark masses. In left-right supersymmetry we studied the Higgs decay modes and the option of having a right-handed sneutrino as a dark matter candidate. We found that a loop-induced mixing of the bidoublets can either enhance or suppress the Higgs coupling to bottom quarks and thus change the signal strengths considerably. However, in the scan there was also a large number of points, where the couplings behaved close to those of the SM. The right-handed sneutrino is a part of a doublet in left-right symmetric models. We found that sneutrinos may annihilate via a D-term coupling to the Higgs and produce the observed relic density. If we assume the gauge coupling of the right-handed gauge interactions to be the same as for the left-handed ones, we were able to predict a range of masses for the sneutrino. We also showed that with 100 inverse femtobarns we could get a signal of superpartners from the sleptonic decays of the right-handed W-boson, if its mass is below 3 TeV.Large Hadron Collider -törmäyttimellä (LHC) suoritetut kokeet ovat osoittaneet, että hiukkasfysiikan standardimalli on hyvä kuvaus aineen rakenteesta ja vuorovaikutuksista nykyisillä kiihdytinenergioilla. Standardimalli ei kuitenkaan voi olla lopullinen hiukkasfysiikan teoria, sillä se ei selitä mm. neutriinojen massoja, pimeää ainetta, pimeää energiaa tai painovoimaa. Standardimallissa alkeishiukkasten massat syntyvät ns. Higgsin mekanismin avulla. Siinä Higgsin kentän arvo on nollasta eroava, kun systeemin energia on pienin. Tätä kentän arvoa kutsutaan tyhjiöodotusarvoksi. Higgsin kentällä on myös vastaava hiukkanen, ns. Higgsin bosoni. Higgsin kentän tyhjiöodotusarvo antaa muille hiukkasille massan, joka on verrannollinen kyseisen hiukkasen ja Higgsin bosonin välisen vuorovaikutuksen suuruuteen. Kun Higgsin kentällä on tyhjiöodotusarvo, standardimallin liikeyhtälöiden ratkaisut eivät ole teorian mittasymmetrian mukaisia, vaikka itse yhtälöt ovat symmetriset - tätä kutsutaan mittasymmetrian spontaaniksi rikkoutumiseksi. Supersymmetria on yksi eniten tutkituista tavoista laajentaa standardimallia. Supersymmetria liittää jokaiseen hiukkaseen superpartnerin, jonka ominaisuudet ovat muuten samanlaiset kuin alkuperäisellä hiukkasella, mutta spin eroaa puolella yksiköllä. Supersymmetrisissä malleissa on aina useampi Higgsin bosoni ja osalla uusista Higgsin bosoneista on sähkövaraus. LHC:n ensimmäisten vuosien tulokset ovat poissulkeneet suuren osan yksinkertaisimman supersymmetrisen mallin (minimaalinen supersymmetrinen standardimalli, MSSM) parametriavaruudesta. Tämän johdosta ei-minimaalisten supersymmetristen mallien tutkimus on perusteltua. Tutkimme tässä väitöskirjassa supersymmetristen mallien fenomenologiaa erityisesti vuonna 2012 löydetyn Higgsin bosonin ominaisuuksien pohjalta. Erityisesti tarkastelimme malleja, joissa ei ole R-pariteettia sekä vasen-oikea-symmetristä mallia. MSSM:ssa kevyimmän Higgsin bosonin massa ilman kvanttikorjauksia voi olla korkeintaan Z-bosonin massan verran. Löydetyn Higgsin bosonin massa on tätä suurempi ja niin suuri, että tarvittavat kvanttikorjaukset ovat varsin suuria ja erityisesti top-kvarkin superpartnerin tulisi olla noin 1,5 TeV:n painoinen tai raskaampi. Ei-minimaalisissa supersymmetrisissä malleissa Higgsin bosonin massaraja voi olla korkeampi kuin MSSM:ssä tai uusien hiukkasten aiheuttamat kvanttikorjaukset voivat nostaa Higgsin massaa, jolloin superpartnereiden ei tarvitse olla yhtä raskaita kuin MSSM:ssa. R-pariteetti on MSSM:ssa lisäoletus, joka kieltää baryoni- tai leptonilukua muuttavat vuorovaikutukset. Jos R-pariteettia rikkovat vuorovaikutukset olisivat sallittuja, protonit hajoaisivat. R-pariteetin säilymislaki myös takaa, että kevyin superpartneri ei hajoa ja voisi muodostaa pimeän aineen. R-pariteetti voi rikkoutua spontaanisti, jos jokin sneutriinoista saa tyhjiöodotusarvon. Spontaani R-pariteetin rikko synnyttää vain leptonilukua muuttavia vuorovaikutuksia, joten protonit eivät hajoa. Kun R-pariteetti rikkoutuu spontaanisti, sneutriinon säilyvät kvanttiluvut ovat samat kuin Higgsin bosonilla, joten ne voivat sekoittua. Havaitsimme, että jos sneutriino on kevyempi kuin Higgsin bosoni, tämä sekoittuminen voi nostaa Higgsin bosonin massaa ja näin ei tarvita yhtä suuria kvanttikorjauksia kuin MSSM:ssä. Higgsin bosonin ja sneutriinon sekoittuminen johtaisi myös Higgsin bosonin tuottotodennäköisyyden pienenemiseen. Jos Higgsin bosonin havaittu massa saadaan pienemmillä kvanttikorjauksilla kuin MSSM:ssä, voivat stop- ja sbottom-skvarkit olla kevyempiä. Jos ei oleteta R-pariteettia, voivat skvarkit hajota eri tavalla kuin yleensä supersymmetrisissä malleissa oletetaan ja tälläisten hajoamisten osuus voi olla suuri. Tästä esimerkkinä tutkimme mallia, jossa R-symmetrian varaus samaistetaan leptoniluvun kanssa. Mallissa kvarkkien superpartnereilla on leptoniluku ja ne voivat hajota kvarkiksi ja leptoniksi. Stop-skvarki voi pääasiallisesti hajota b-kvarkiksi ja positroniksi. Tutkimuksemme perusteella LHC pystyy löytämään stop-skvarkin tässä mallissa, vaikka sen massa olisi yli 1 TeV:n. Heikoissa vuorovaikutuksissa pariteettisymmetria rikkoutuu: Beetahajoamisessa syntyvien hiukkasten spinit ovat vasenkätisiä ja antihiukkasten oikeakätisiä. Vasen-oikea-symmetrisissä malleissa tämä selitetään siten, että on olemassa myös toinen (oikeakätinen) heikko vuorovaikutus, jossa hiukkasten ja antihiukkasten spinit ovat päinvastaiset, mutta tämä vuorovaikutus on spontaanin symmetriarikon seurauksena paljon tunnettua (vasenkätistä) heikkoa vuorovaikutusta heikompi. Vasen-oikea symmetrisen mallin osalta tutkimme Higgsin bosonin hajoamissuhteita sekä oikeakätistä sneutriinoa pimeän aineen kandidaattina. Kvanttikorjaukset aiheuttavat mallin Higgsin bosoneille sekoittumisen, jossa kevyimmän Higgsin bosonin hajoaminen b-kvarkkipariksi voi poiketa huomattavasti standardimallin ennusteesta. Toisaalta osassa datapisteistä hajoamissuhteet ovat lähellä standardimallin ennustetta. Vasen-oikea symmetrisessä mallissa oikeakätinen neutriino ja sen superpartneri vuorovaikuttavat oikeakätisten heikkojen vuorovaikutusten kautta toisin kuin malleissa, joissa oikeakätisiä heikkoja vuorovaikutuksia ei ole. Tämä saa aikaan sen, että jos sneutriino on kevyin supersymmetrinen hiukkanen, niiden annihiloituminen varhaisessa maailmankaikkeudessa voi olla niin voimakasta, että jäljelle jää havaittu määrä pimeää ainetta. Jos oikeakätisten heikkojen vuorovaikutusten voimakkuus tunnetaan, havaitusta pimeän aineen määrästä voidaan ennustaa kevyimman sneutriinon massa. Osoitimme myös, että jos oikeakätisten vuorovaikutusten W-bosoni on kevyempi kuin 3 TeV, sen hajoamiset leptonien superpartnereiksi voivat antaa signaalin supersymmetriasta.
Subject: teoreettinen fysiikka
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
HiggsBos.pdf 1.691Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record