[論文レビュー] Collider signatures of dark CP-violation

A. Cordero-Cid, J. Hernández-Sánchez+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、2つの不活性ヒッグス二重項と1つの標準模型に類似した二重項を有する3ヒッグス二重項模型（I(2+1)HDM）を提案し、CP対称性の破れが不活性領域にのみ導入される。不活性スカラーの1ループ効果を通じて、CP対称性の破れを示すZZZ頂点が生成され、加速器におけるf¯f → Z* → ZZ過程における観測可能な非対称性と断面積の増大が生じる。主な結果として、これらのCP対称性の破れ効果はLHCおよび将来のレプトン衝突機で検出可能であり、特にハドロン的崩壊モードがレプトン的モードよりも早期の発見可能性を示す可能性がある。

ABSTRACT

We study an extension of the Standard Model (SM) in which two copies of the SM-Higgs doublet which do not acquire a vacuum expectation value, and hence are {\it inert}, are added to the scalar sector. The lightest particle from the inert sector, which is protected from decaying to SM particles through the conservation of a $Z_2$ symmetry, is a viable dark matter candidate. We allow for CP-violation in this extended dark sector and evaluate the $ZZZ$ vertex and its CP-violating form factor in several benchmark scenarios. We provide collider signatures of this dark CP-violation in the form of potentially observable asymmetries and cross sections for the $f\bar f o Z^* o ZZ$ process at both leptonic and hadronic machines.

研究の動機と目的

• 不活性二重項2個と活性二重項1個を有するダークセクターにおけるCP対称性の破れの素性を調査すること。
• 不活性スカラー領域におけるCP対称性の破れ位相がゲージボソン相互作用に与える影響を評価すること。
• ハドロンおよびレプトン衝突機におけるf¯f → Z* → ZZ過程のための、特に非対称性および断面積を特徴とする加速器の特徴を特定すること。
• LHCおよび将来のe+e−衝突機（FCC-ee、ILC、またはCEPCなど）において、このようなCP対称性の破れ効果が検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 不活性二重項が標準模型フェルミオンと結合しないように保護されるZ2対称性を有する3ヒッグス二重項模型（I(2+1)HDM）を構築すること。
• スカラー結合項に複素パラメータ（例：µ²₁₂、λ₂）を導入することで、CP対称性の破れが不活性領域にのみ明示的に生成されることを保証すること。
• 不活性スカラーの伝播関数を含む1ループダイアグラムを用いて、ZZZ頂点におけるCP対称性の破れ形式因子fZ₄を計算すること。
• Z* → ZZ過程におけるZボソンのスピン密度行列を計算し、CP奇非対称性A′′₁、A′′₂、およびA′′(Θ)を定義すること。
• 再結合密度、直接的・間接的DM探索、およびLHC制約と整合する、さまざまな不活性スカラー質量および結合定数を有するベンチマークポイント（BPs）を用意すること。
• ハドロンおよびレプトン衝突機における異なるビームエネルギー（200–300 GeV）に対して、散乱角Θの関数として非対称性A′′(Θ)をシミュレートすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 I(2+1)HDMにおける不活性ヒッグス領域のCP対称性の破れが、加速器におけるZボソン対生成において観測可能な信号を生じるか？
• RQ2 不活性スカラー領域におけるCP対称性の破れ位相がZZZ頂点およびf¯f → Z* → ZZ過程における非対称性に与える影響は何か？
• RQ3 ハドロン的（q¯q）とレプトン的（e⁺e⁻）衝突機の間で、これらのCP対称性の破れ効果に対する感度はどのように異なるか？
• RQ4 複数の不活性スカラーからのCP対称性の破れ寄与が、f¯f → Z* → ZZの断面積を顕著に増大させ得るか？
• RQ5 このようなCP対称性の破れ信号が、標準模型に類似したヒッグス粒子の発見よりも前に観測可能となる、現実的なパラメータ空間がI(2+1)HDMに存在するか？

主な発見

• ZZZ頂点に寄与するCP対称性の破れ形式因子fZ₄は、ループ誘導結合の実部に比例し、Zボソン崩壊角度分布における測定可能な非対称性A′′(Θ)を生じる。
• 非対称性A′′(Θ)は特定の散乱角で最大値を示し、ビームエネルギーに依存する。300 GeVでベンチマークCでは最大∼0.0015、ベンチマークDでは最大∼0.002に達する。
• f¯f → Z* → ZZのハドロン的断面積は通常、レプトン的断面積よりも大きい。これは、LHCが本モデルにおけるCP対称性の破れの最初の証拠を提供する可能性があることを示唆する。
• さまざまな不活性スカラー質量およびCP対称性の破れ位相を有するベンチマークポイント（BPs）は、再結合密度およびヒッグス信号強度と整合しており、宇宙論的および加速器的制約を満たしている。
• 標準模型フェルミオンへのCP対称性の破れ結合が存在せず、Z2対称性によって保護されているため、電気双極モーメント（EDM）測定による制約が回避され、他の2HDM系よりも大きなCP対称性の破れ位相が許容可能である。
• 本モデルは4つの不活性中性スカラーを有し、すべてがZZZループに一貫して寄与する。これは、より少ない不活性状態やシングレット拡張を持つモデルと比較して、CP対称性の破れ効果が集団的に増幅されることを示している。