Higgs sector in NMSSM with right-handed neutrinos and spontaneous R-parity violation

Peer reviewe

Higgs Bosons as Probes of Nonminimal Supersymmetric Models

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

Measuring neutrino dynamics in NMSSM with a right-handed sneutrino LSP at the ILC

We study the possibility of measuring neutrino Yukawa couplings in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model with right-handed neutrinos (NMSSMr) when the lightest Supersymmetric partner (a right-handed sneutrino) is the Dark Matter (DM) candidate, by exploiting a `dijet + dilepton + Missing Transverse Energy' (MET) signature. We show that, unlike the miminal realisation of Supersymmetry (SUSY), i.e., the MSSM, for which the DM candidate is a much heavier (fermionic) state (a neutralino), this non-minimal SUSY model offers one with a much lighter (bosonic) state (a sneutrino) as DM, which can be produced at future $e^+e^-$ colliders with energies up to about 500 GeV. The emerging signal, from chargino pair production and subsequent decay, is extremely pure so it allows for the possibility of extracting the Yukawa parameters of the (s)neutrino sector. These results should then motivate searches for light DM signals at such accelerators, where a DM candidate with mass at the Electro-Weak (EW) scale can then be accessed.Comment: Talk presented at the 41st International Conference on High Energy physic

Light top squarks in a U(1)(R) lepton number model with a right handed neutrino and the LHC

We investigate the phenomenology of top squarks at the Large Hadron Collider (LHC) in a supersymmetric model where lepton number is identified with an approximate U(1)(R) symmetry in such a way that one of the left-chiral sneutrinos can acquire a large vacuum expectation value and can play the role of the down-type Higgs. This R symmetry allows a subset of trilinear R-parity violating interactions, which determine the collider phenomenology of this model in a significant way. The gauginos are Dirac particles and gluinos are relatively heavy in this class of models. The model contains a right handed neutrino superfield, which gives a tree level mass to one of the active neutrinos. An order one neutrino Yukawa coupling also helps enhance the Higgs boson mass at the tree level and results in a very light binolike neutralino ((chi) over tilde (0)(2)) with mass around a few hundred MeV, which is a carrier of missing (transverse) energy (ET). The model can accommodate two rather light top squarks, compatible with the observed mass of the Higgs boson. The lighter top squark ((t) over tilde (1)) can decay into t (chi) over tilde (0)(2), and thus the signal would be similar to the signal of top quark pair production at the LHC. In addition, fully visible decays such as (t) over tilde (2) -> be(+) can give rise to interesting final states. Such signals at the LHC combined with other features like a heavy gluino could provide strong evidence for this kind of a model. Our analysis shows that m((t) over tilde1) less than or similar to 575(750) GeV and m((t) over tilde2) less than or similar to 1.2(1.4) TeV can be probed with 5s statistical significance at the 13 TeV LHC with 300(3000) fb(-1) of integrated luminosity. Finally, we observe that in the presence of superlight carriers of is not an element of(T), the so-called "stealth" top squark scenario may naturally appear in our model.Peer reviewe

Resonant slepton production and right sneutrino dark matter in left-right supersymmetry

Right-handed sneutrinos are natural components of left-right symmetric supersymmetric models where the gauge sector is extended to include right-handed weak interactions. Unlike in other models where right-handed sneutrinos are gauge singlets, here the right sneutrino is part of a doublet and could be a dark matter candidate whose annihilation proceeds via gauge interactions. We investigate this possibility, and find that relic density, low-energy observable and direct supersymmetry search constraints can be satisfied when the lightest supersymmetric particle is a right-handed sneutrino. We introduce benchmarks for left-right supersymmetric realizations where either a sneutrino or a neutralino is the lightest superpartner. We then study the LHC signals arising through resonant right-handed slepton production via a W-R gauge-boson exchange that lead to final states enriched in leptons, additionally containing a large amount of missing transverse momentum, and featuring a low jet multiplicity. We find that such a resonant production would boost the chances of discovering these weakly interacting supersymmetric particles for a mass range extending beyond 1TeV already with a luminosity of 100 fb(-1). Finally, we compare sneutrino versus neutralino scenarios, and comment on differences with other sneutrino dark matter models.Peer reviewe

Left-right supersymmetric option at a high-energy upgrade of the LHC

We investigate the possibility that a minimal realization of left-right supersymmetry can be reachable at a high-energy upgrade of the LHC, expected to operate at a center-of-mass energy of 27 TeV. This minimal scenario has a relatively light SU(2)(R) doubly charged Higgs boson, which could decay dominantly into tau-lepton pairs. We explore the associated signals comprised of at least three hadronically decaying taus, or with at least two hadronic taus and one same-sign-same-flavor charged lepton pair. Our analysis shows that the former signature is challenging to use for getting handles on the signal due to the large corresponding background, and that the latter one can lead to a handful of new physics events in an almost backgroundfree environment. We however find that a signal comprised of three hadronically decaying tau leptons is likely to be observed at a low luminosity of proton-proton collisions at a 27 TeV upgrade of the LHC.Peer reviewe

Multileptonic signals of co-annihilating left-right supersymmetric dark matter

We perform a comprehensive dark matter analysis of left-right supersymmetric scenarios that includes constraints from dark matter direct and indirect detection experiments and that presents distinctive features from those available in minimal supersymmetry. We concentrate on dark matter candidates which, while satisfying all constraints, are different from those of the minimal supersymmetric standard model. We consider in our analysis all possible co-annihilation channels relevant for setups in which several states are light and nearly degenerate, and devise a set of representative benchmark points, requiring co-annihilations, which satisfy all restrictions. We then study their consequent LHC signals, which exhibit promising new multileptonic signatures involving W-R, that if observed, would provide a strong support for left-right supersymmetry.Peer reviewe