Heavy Z': resonant versus non-resonant searches

Collider searches for new vector-like particles such as Z' have mostly been pursued by looking for a peak in the invariant mass spectrum of the decay products. However off-shell Z' exchange may leave an imprint on other kinematic distributions, leading thus to non-resonant searches. The aim of this paper is to assess, in the context of the LHC, the interplay between resonant (s-channel) and non-resonant (t-channel) searches for a generic leptophobic Z' model. We show in particular that while non-resonant searches are less sensitive to small couplings, they tend to be more adapted at high masses and large couplings. We discuss our findings both at the level of the current limits and the expectations at higher luminosities

BMSSM Higgses at 125 GeV

The BMSSM framework is an effective theory approach that encapsulates a variety of extensions beyond the MSSM with which it shares the same field content. The lightest Higgs mass can be much heavier than in the MSSM without creating a tension with naturalness or requiring superheavy stops. The phenomenology of the Higgs sector is at the same time much richer. We critically review the properties of a Higgs with mass around 125GeV in this model. In particular, we investigate how the rates in the important inclusive 2 photons channel, the 2 photons + 2 jets and the ZZ to 4 leptons (and/or WW) can be enhanced or reduced compared to the standard model and what kind of correlations between these rates are possible. We consider both a vanilla model where stops have moderate masses and do not mix and a model with large mixing and a light stop. We show that in both cases there are scenarios that lead to enhancements in these rates at a mass of 125GeV corresponding either to the lightest Higgs or the heaviest CP-even Higgs of the model. In all of these scenarios we study the prospects of finding other signatures either of the 125GeV Higgs or those of the heavier Higgses. In most cases the \oo{\tau}\tau channels are the most promising. Exclusion limits from the recent LHC Higgs searches are folded in our analyses while the tantalising hints for a Higgs signal at 125GeV are used as an example of how to constrain the BMSSM and/or direct future searches.Comment: 21 p v1 Tevatron result added in addendum, typo

Higgs couplings as a probe of New Physics

We consider the Higgs boson decay processes and its production and provide a parameterisation tailored for testing models of new physics. The choice of a particular parameterisation depends on a non-obvious balance of quantity and quality of the available experimental data, envisaged purpose for the parameterisation and degree of model independence. At present only simple parameterisations with a limited number of fit parameters can be performed, but this situation will improve with the forthcoming experimental LHC data. It is therefore important that different approaches are considered and that the most detailed information is made available to allow testing the different aspects of the Higgs boson physics and the possible hints beyond the Standard Model.Comment: 4p, Proceeding for HPNP 2013, Toyama, Feb. 2013; based on arXiv:1210.812

Higgs couplings beyond the Standard Model

We consider the Higgs boson decay processes and its production, and provide a parameterisation tailored for testing models of new physics beyond the Standard Model. We also compare our formalism to other existing parameterisations based on scaling factors in front of the couplings and to effective Lagrangian approaches. Different formalisms allow to best address different aspects of the Higgs boson physics. The choice of a particular parameterisation depends on a non-obvious balance of quantity and quality of the available experimental data, envisaged purpose for the parameterisation and degree of model independence, importance of the radiative corrections, scale at which new particles appear explicitly in the physical spectrum. At present only simple parameterisations with a limited number of fit parameters can be performed, but this situation will improve with the forthcoming experimental LHC data. Detailed fits can only be performed by the experimental collaborations at present, as the full information on the different decay modes is not completely available in the public domain. It is therefore important that different approaches are considered and that the most detailed information is made available to allow testing the different aspects of the Higgs boson physics and the possible hints beyond the Standard Model.Comment: 22 pages, 5 figures, 5 tables. This version is an update including the most recent Higgs data and new fits to two extra model

Higgs couplings: disentangling New Physics with off-shell measurements

After the discovery of a scalar resonance, resembling the Higgs boson, its couplings have been extensively studied via the measurement of various production and decay channels on the invariant mass peak. Recently, it has been suggested the possibility to use off-shell measurements: in particular, CMS has published results based on the high- invariant mass cross section of the process $gg \to ZZ$, which contains the contribution of the Higgs. While this measurement has been interpreted as a constraint on the Higgs width after very specific assumptions are taken on the Higgs couplings, in this letter we show that a much more model-independent interpretation is possible.Comment: 6pp, 1 figur

LHC constraints on light neutralino dark matter in the MSSM

Light neutralino dark matter can be achieved in the Minimal Supersymmetric Standard Model if staus are rather light, with mass around 100 GeV. We perform a detailed analysis of the relevant supersymmetric parameter space, including also the possibility of light selectons and smuons, and of light higgsino- or wino-like charginos. In addition to the latest limits from direct and indirect detection of dark matter, ATLAS and CMS constraints on electroweak-inos and on sleptons are taken into account using a "simplified models" framework. Measurements of the properties of the Higgs boson at 125 GeV, which constrain amongst others the invisible decay of the Higgs boson into a pair of neutralinos, are also implemented in the analysis. We show that viable neutralino dark matter can be achieved for masses as low as 15 GeV. In this case, light charginos close to the LEP bound are required in addition to light right-chiral staus. Significant deviations are observed in the couplings of the 125 GeV Higgs boson. These constitute a promising way to probe the light neutralino dark matter scenario in the next run of the LHC.Comment: 18 pages, 6 figures; matches version accepted for publication in Physics Letters

Effective approaches within and beyond the MSSM : application to Higgs physics and Dark Matter

Malgré le succès incontestable du Modèle Standard de la physique des particules, il est vraisemblable qu'il ne soit qu'une partie de la théorie complète de physique des particules -- comme c'est le cas des hypothèses de théories unifiées -- et ainsi de nombreux efforts ont été dédiés au développement de théorie de Nouvelle Physique. La Supersymmétrie est l'une des extensions les plus populaires puisque qu'elle permet non seulement de résoudre le problème de Naturalité mais présente aussi une candidat viable de matière sombre. Ce dernier point a été particulièrement mis en avant avec les récentes mesures expérimentales qui ont permis d'affiner significativement notre connaissance des propriétés de cette matière sombre. En particulier, la détermination de la densité relique de matière sombre dans l'univers est à présent réalisée avec une précision de l'ordre du pourcent. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymmétrique Minimal (le MSSM), cette contrainte permet ainsi de tester la structure à une boucle de la théorie. Cependant c'est aussi un modèle présentant un très grand nombre de paramètres, comparé au Modèle Standard, et le calcul complet des observables à une boucle reste trop long pour être effectué sur l'ensemble de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, je me suis ainsi intéressé à la possibilité de reproduire ces corrections à la boucle par un ensemble de couplages effectifs. L'approche effective présentant l'avantage de garder la simplicité d'un calcul effectué à l'arbre tout en conservant une trace des effets caractéristiques de boucles comme le non-découplage de certaines particules lourdes. Le LHC (Large Hadron Collider), dont les opérations ont démarrées juste après le début de ma thèse, soit à l'automne 2009, a fourni des données complémentaires aux observables de matière sombre. En effet le secteur du Higgs du MSSM est très peu flexible, ce qui a pour effet d'introduire ce que l'on appelle le problème du ``fine-tuning'', c'est à dire la nécessité d'avoir des valeurs très précises pour les paramètres. Afin d'y remédier, de nombreux modèles ont été créés au delà du MSSM, comme le NMSSM (en anglais Next-to-MSSM). Dans le but de suivre une approche plus générale, j'ai décidé au cours de cette thèse d'utiliser à nouveau l'approche effective, mais dans un but différent : alors que les couplages effectifs utilisés dans le cas de la matière sombre sont choisi pour reproduire le plus fidèlement possible les corrections à la boucle des particules du MSSM, les opérateurs effectifs que nous ajoutons au secteur du Higgs sont les effets à basse énergie (c'est à dire l'énergie de production du Higgs) d'une nouvelle physique à haute énergie. Bien que dédiées à deux buts différents, ces deux implémentations d'une même technique montrent bien ses différents atouts. Dans un des cas (celui du Higgs) les opérateurs effectifs permettent de paramétrer l'effet d'une physique ultraviolette inconnue, alors que dans l'autre cas cette physique ultraviolette se réduit au simple MSSM.Despite the numerous successes of the Standard Model of particle physics, it is believed that the complete picture of particle physics could be larger, as a unified theory for instance, and thus many efforts have been devoted to the development of theories of new physics. Supersymmetry is one of the most popular extensions since in addition to a solution of the naturalness issue, it provides a viable dark matter candidate. This last sector being all the more important now that recent experimental measurements have significantly increased our knowledge about dark matter properties, in particular the experimental determination of the relic density has reached the accuracy of a few percent. When applied to the Minimal Supersymmetric Standard Model (the MSSM, which is the simplest supersymmetric extension of the Standard Model), this constraint will thus shed light on the one-loop structure of the model. The MSSM is however much more liberal with unconstrained parameters than the Standard Model is, and the full one-loop computation of the relic density tends to be too long to be carried out throughout this large parameter space. In this thesis I have thus explored the opportunity of accounting for those loop corrections through a set of effective couplings. This effective approach has the advantage of keeping the simplicity of a tree-level computation but encoding at the same time genuine loop features such as the non-decoupling of heavy particles. Complementary to those constraints are the observables related to the LHC, which started taking data shortly after the beginning of my PhD in fall 2009. The Higgs sector of the MSSM is tightly constrained and this results in a certain fine-tuning of the model, which led to the creation of many models beyond the MSSM (such as the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). Arguing for a more general approach, I have decided in this thesis to use again the effective approach but with a different aim : while the effective couplings in the case of dark matter are determined to account for the MSSM loop corrections, the effective operators we add to the Higgs sector of the MSSM are the remnants of the integration of a heavy extra spectrum. This effective approach, called the BMSSM (for Beyond the MSSM) is known to account for many different realisations of non-minimal supersymmetry, and we have used it as a framework to recast the results of the Higgs analyses carried out by ATLAS and CMS collaborations. This study has led to the caracterisation of the rich phenomenology of the Higgs sector in the BMSSM, with in particular the possibility for a signal quite different from Standard Model or MSSM expectations. Though based on distinct aims, the two implementations of the effective approach show the different advantages of an effective field theory. In the first case the effective operators are parametrising the effect of an unknown UV completion, whereas in the second we assume this UV completion to be the MSSM

Approches effectives dans le MSSM et au-delà : applications à la physique du Higgs et aux observables de matière sombre

Despite the numerous successes of the Standard Model of particle physics, it is believed that the complete picture of particle physics could be larger, as a unified theory for instance, and thus many efforts have been devoted to the development of theories of new physics. Supersymmetry is one of the most popular extensions since in addition to a solution of the naturalness issue, it provides a viable dark matter candidate. This last sector being all the more important now that recent experimental measurements have significantly increased our knowledge about dark matter properties, in particular the experimental determination of the relic density has reached the accuracy of a few percent. When applied to the Minimal Supersymmetric Standard Model (the MSSM, which is the simplest supersymmetric extension of the Standard Model), this constraint will thus shed light on the one-loop structure of the model. The MSSM is however much more liberal with unconstrained parameters than the Standard Model is, and the full one-loop computation of the relic density tends to be too long to be carried out throughout this large parameter space. In this thesis I have thus explored the opportunity of accounting for those loop corrections through a set of effective couplings. This effective approach has the advantage of keeping the simplicity of a tree-level computation but encoding at the same time genuine loop features such as the non-decoupling of heavy particles. Complementary to those constraints are the observables related to the LHC, which started taking data shortly after the beginning of my PhD in fall 2009. The Higgs sector of the MSSM is tightly constrained and this results in a certain fine-tuning of the model, which led to the creation of many models beyond the MSSM (such as the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). Arguing for a more general approach, I have decided in this thesis to use again the effective approach but with a different aim : while the effective couplings in the case of dark matter are determined to account for the MSSM loop corrections, the effective operators we add to the Higgs sector of the MSSM are the remnants of the integration of a heavy extra spectrum. This effective approach, called the BMSSM (for Beyond the MSSM) is known to account for many different realisations of non-minimal supersymmetry, and we have used it as a framework to recast the results of the Higgs analyses carried out by ATLAS and CMS collaborations. This study has led to the caracterisation of the rich phenomenology of the Higgs sector in the BMSSM, with in particular the possibility for a signal quite different from Standard Model or MSSM expectations. Though based on distinct aims, the two implementations of the effective approach show the different advantages of an effective field theory. In the first case the effective operators are parametrising the effect of an unknown UV completion, whereas in the second we assume this UV completion to be the MSSM.Malgré le succès incontestable du Modèle Standard de la physique des particules, il est vraisemblable qu'il ne soit qu'une partie de la théorie complète de physique des particules -- comme c'est le cas des hypothèses de théories unifiées -- et ainsi de nombreux efforts ont été dédiés au développement de théorie de Nouvelle Physique. La Supersymmétrie est l'une des extensions les plus populaires puisque qu'elle permet non seulement de résoudre le problème de Naturalité mais présente aussi une candidat viable de matière sombre. Ce dernier point a été particulièrement mis en avant avec les récentes mesures expérimentales qui ont permis d'affiner significativement notre connaissance des propriétés de cette matière sombre. En particulier, la détermination de la densité relique de matière sombre dans l'univers est à présent réalisée avec une précision de l'ordre du pourcent. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymmétrique Minimal (le MSSM), cette contrainte permet ainsi de tester la structure à une boucle de la théorie. Cependant c'est aussi un modèle présentant un très grand nombre de paramètres, comparé au Modèle Standard, et le calcul complet des observables à une boucle reste trop long pour être effectué sur l'ensemble de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, je me suis ainsi intéressé à la possibilité de reproduire ces corrections à la boucle par un ensemble de couplages effectifs. L'approche effective présentant l'avantage de garder la simplicité d'un calcul effectué à l'arbre tout en conservant une trace des effets caractéristiques de boucles comme le non-découplage de certaines particules lourdes. Le LHC (Large Hadron Collider), dont les opérations ont démarrées juste après le début de ma thèse, soit à l'automne 2009, a fourni des données complémentaires aux observables de matière sombre. En effet le secteur du Higgs du MSSM est très peu flexible, ce qui a pour effet d'introduire ce que l'on appelle le problème du ``fine-tuning'', c'est à dire la nécessité d'avoir des valeurs très précises pour les paramètres. Afin d'y remédier, de nombreux modèles ont été créés au delà du MSSM, comme le NMSSM (en anglais Next-to-MSSM). Dans le but de suivre une approche plus générale, j'ai décidé au cours de cette thèse d'utiliser à nouveau l'approche effective, mais dans un but différent : alors que les couplages effectifs utilisés dans le cas de la matière sombre sont choisi pour reproduire le plus fidèlement possible les corrections à la boucle des particules du MSSM, les opérateurs effectifs que nous ajoutons au secteur du Higgs sont les effets à basse énergie (c'est à dire l'énergie de production du Higgs) d'une nouvelle physique à haute énergie. Bien que dédiées à deux buts différents, ces deux implémentations d'une même technique montrent bien ses différents atouts. Dans un des cas (celui du Higgs) les opérateurs effectifs permettent de paramétrer l'effet d'une physique ultraviolette inconnue, alors que dans l'autre cas cette physique ultraviolette se réduit au simple MSSM