[論文レビュー] A short overview on low mass scalars at future lepton colliders -- Snowmass White Paper

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、将来の $e^+e^-$ コライダーにおける低質量スカラー粒子（≤125 GeV）の発見可能性を検討し、シングレット拡張、2HDMs、N2HDMs などのモデルに焦点を当てる。240–250 GeV の中心系エネルギーを持つ将来のヒッグス工場では、$Z h$ や $\nu\bar{\nu} h$ 生産過程を通じて軽いスカラーを探索可能であり、特に高インテンシティ運転を組み合わせることで、$m_h \lesssim 70$ GeV の場合に最大で $10^6$ イベントの感度に達することが示された。

ABSTRACT

In this whitepaper, I give a short summary on possible channels of low-mass scenarios and their discovery potential at future $e^+e^-$ colliders. This is a summary of talks I recently gave at the CEPC workshop, FCC week and ECFA future collider workshop.

研究の動機と目的

• 将来の $e^+e^-$ コライダー、特に 240–250 GeV の中心系エネルギーを有するヒッグス工場における、軽いスカラー粒子（≤125 GeV）の発見可能性を評価すること。
• 追加の低質量スカラー状態を許容するモデル、例えばシングレット拡張、2ヒッグスダブルレットモデル（2HDMs）、N2HDMs に関する、素粒子物理学的実験的分析を要約すること。
• 特に 160 GeV および 350 GeV における $Z h$、$\nu\bar{\nu} h$、$h_1 h_2$ 終状態への将来のコライダーの感受性を強調すること。
• 電弱相転移およびモデル依存の信号強度の文脈において、今後の詳細な研究を促すこと。

提案手法

• 本研究は、CEPC、FCC、ECFA の会議やワークショップからの最近の素粒子物理学的分析を収集・要約したものである。
• モデルパラメータを制約するために、HiggsBounds-5.10.2 および HiggsSignals-2.6.2 を使用し、実験的・理論的・電弱精度制約を適用した。
• ScannerS などのツールを用いてパラメータ空間を走査し、2つの実スカラー・シングレット・モデル（TRSM）などのモデルにおける混合角と質量の平面に結果を可視化した。
• 160 GeV、240 GeV、350 GeV における $Z h$、$\nu\bar{\nu} h$、$h_1 h_2$ 生産過程の断面積予測を、オンシェルおよびオフシェル貢献を仮定して導出した。
• 1–2 ab⁻¹ の光度仮定のもとで、$c\bar{c}b\bar{b}$、$b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-$、$W^+W^-$ 終状態の信号の有意水準を計算した。
• 既存の LEP や LHC の制約の再解釈を含み、特に $pp \to h_{125} \to ss \to XXYY$ の過程から、混合角や分岐比を制限した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型スカラー系のシングレットおよびダブルレット拡張における、125 GeV 未満の低質量スカラー状態に対する将来の $e^+e^-$ コライダーの感受性は何か？
• RQ2 160 GeV および 240 GeV における $Z h$ および $\nu\bar{\nu} h$ 生産モードは、軽いスカラーの発見可能性にどのように寄与するか？
• RQ3 350 GeV の中心系エネルギーにおける 2HDM および N2HDM モデルで、低質量スカラー生成の実現可能なイベントレートは何か？
• RQ4 既存の LEP や LHC の $h_{125} \to ss$ 衰えの過剰反応は、軽いスカラーを持つモデルで説明可能か？そして、将来のコライダーでの予測レートは何か？
• RQ5 240 GeV における $c\bar{c}b\bar{b}$ 終状態での軽いスカラーの検出において、charm タギング効率と終状態運動量の性質はどのような役割を果たすか？

主な発見

• 240 GeV、1 ab⁻¹ の光度で、3HDM モデルにおける $c\bar{c}b\bar{b}$ 終状態の有意水準は、70 GeV 未満のスカラー質量に対して、charm タギング効率に依存して最大で 5σ に達する。
• 160 GeV では、一般の抑制係数約 0.1 を仮定し、FCC-ee の光度を用いると、$m_h \lesssim 70$ GeV の場合に最大で $10^6$ 個の $Z h$ イベントが期待され、非-$Z h$ 過程からの $\nu\bar{\nu} h$ の寄与はゼロである。
• 2つの軽いスカラーを持つ TRSM では、$m_{h_1}, m_{h_2} \lesssim 125$ GeV のパラメータ空間が妥当であり、許容領域では混合角 $\sin\alpha$ が 0.05 から 0.25 の範囲に分布する。
• 2HDM および N2HDM モデルでは、1つまたは2つの追加スカラーが 125 GeV 未満の質量を持つ領域が存在し、現在の LHC や LEP の制約と整合する分岐比および結合定数を持つ。
• 350 GeV では、ヒッグスストラーレーション過程と $\nu\bar{\nu} h$ 終状態（$h \to b\bar{b}$）は、さまざまな 2HDM 変種で高いイベントレートを示し、強力な発見可能性を示している。
• 250 GeV で 2 ab⁻¹ の光度を想定した 2HDM および N2HDM モデルにおける $h \to \tau^+\tau^-$、$gg$、$W^+W^-$ 衰えの予測レートは、特に $\tan\beta$ が 0.05–0.25 の範囲で顕著な信号強度を示す。