Precise predictions for Higgs physics in supersymmetric models

Abstract

Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell (MSSM) kann die Masse des leichtesten Higgs-Bosons in Abhängigkeit von den Modellparametern vorhergesagt werden und daher als Präzisionsobservable verwendet werden, um den MSSM-Parameterraum einzuschränken. Die präzise Vorhersage der Masse des leichtesten MSSM-Higgs-Bosons in Szenarien mit einem oder mehreren schweren supersymmetrischen Teilchen erfordert die Resummation logarithmischer Beiträge höherer Ordnung, die im Rahmen eines EFT-Ansatzes (Effektive-Feld-Theorie) durchgeführt wird. Durch die Kombination der EFT-Rechnung mit einer Rechnung auf fester Ordnung kann eine präzise Vorhersage auch für niedrige und intermediäre SUSY-Skalen erhalten werden. Diese Methode wird als Hybridansatz bezeichnet und ist z.B. im öffentlich zugänglichen Code FeynHiggs implementiert.

In dieser Arbeit werden verschiedene Verbesserungen dieser Hybrid-Methode diskutiert. Zunächst wird die Resummation der logarithmischen Beiträge proportional zur Bottom-Yukawakopplung betrachtet, einschließlich von- $Delta_b$ Resummation auf dem Zwei-Schleifen-Niveau. Bei großen $tanbeta$ können diese Verbesserungen zu großen Verschiebungen der Higgs-Masse nach oben im Vergleich zu den bestehenden Berechnungen auf fester Ordnung führen. Weiterhin wird die EFT-Berechnung verbessert, indem die Auswirkungen der Phasen von komplexen soft SUSY-brechenden Parametern vollständig berücksichtigen berücksichtigt werden. Als weitere Verbesserung wird die Einbeziehung einer teilweisen N$^3$LL-Resummation diskutiert.

Danach wird der Fall einer großen Hierarchie zwischen der Gluino-Masse und den Massen der skalaren Top-Quarks betrachtet. In diesem Fall weisen die bisherigen Higgs-Boson-Massenvorhersagen große theoretischen Unsicherheiten auf. Diese werden durch nicht-entkoppelnde und durch die Gluino-Masse potentiell verstärkte Beiträge im EFT-Ergebnis als Konsequenz der Verwendung des DR-Renormierungsschemas hervorgerufen. Es wird demonstriert, dass die theoretischen Vorhersagen in der Parameterregion mit schweren Gluinos durch die Einführung eines geeigneteren Renormierungsschemas für die EFT-Berechnung erheblich verbessert werden. In diesem Schema werden die großen Gluino-Beiträge in die Modellparameter absorbiert. Dadurch sind zuverlässige und numerisch stabile Vorhersagen in der Parameterregion mit schweren Gluinos möglich.

Die vorgestellten Verbesserungen werden als Teil des Programms FeynHiggs öffentlich zugänglich sein.

In the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the mass of the SM-like Higgs boson can be predicted in terms of the model parameters and therefore used as a precision observable to constrain the MSSM parameter space. The precise prediction of the lightest MSSM Higgs boson mass in scenarios with one or several heavy supersymmetric particles requires the resummation of higher-order logarithmic contributions obtained within an effective-field-theory (EFT) approach. By combining the EFT calculation with a fixed-order calculation, a precise prediction also for low and intermediary SUSY scales can be obtained. This method is called the hybrid approach and is implemented, for instance, in the publicly available code FeynHiggs.

We discuss various improvements to this hybrid framework. First, we consider the resummation of logarithmic contributions proportional to the bottom-Yukawa coupling, including two-loop $Delta_b$-resummation. For large $tanbeta$, this can lead to large upward shifts of the Higgs mass compared to the existing fixed-order calculations. Second, we improve the implemented EFT calculation by fully taking into account the effect of the phases of complex soft SUSY-breaking parameters. In addition, we discuss the inclusion of partial N$^3$LL resummation.

After that, we turn to the case when there is a significant hierarchy between the gluino mass and the masses of the scalar top quarks. In such a situation, the current Higgs boson mass predictions so far have suffered from large theoretical uncertainties related to non-decoupling power-enhanced gluino contributions in the EFT employing the DR renormalization scheme. We demonstrate that the theoretical predictions in the heavy gluino region are vastly improved by the introduction of a more suitable renormalization scheme for the EFT calculation. It is shown that within this scheme, the large gluino contributions are absorbed into the model parameters, resulting in reliable and numerically stable predictions in the heavy-gluino region.

The presented improvements will become publicly available as parts of FeynHiggs.