[論文レビュー] Extended scalar sectors at current and future colliders

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、標準模型を超えたスカラー系の拡張を検討し、実スカラーダイレクトとインert二重項モデルに焦点を当て、現在および将来の加速器データを用いてパラメータを制約し、発見可能性を予測する。LHCデータからの更新制約と、HL-LHC、FCC-hh、および将来のミューオン衝突機の予測を提示し、27 TeV ppおよび30 TeV μμ衝突機では、重いヒッグス状態に対して1000イベントの感度閾値に達することが示された。

ABSTRACT

After the discovery of a particle that complies with the properties of the Higgs boson predicted by the Standard Model, particle physics has entered an exciting era. One important question is whether the scalar sector realized by Nature indeed corresponds to the one predicted by the SM, or whether the resonance at 125 GeV is a manifestation of a more extended scalar sector, and additional scalar states could be observed at current or future collider facilities.

研究の動機と目的

• 現在の実験的制約の下で、特に実スカラーダイレクトおよびインテルト二重項モデルを含む拡張スカラー系の実現可能性を評価すること。
• 現在（LHC）および将来の加速器（HL-LHC、FCC-hh、CLIC、ミューオン衝突機）における追加のヒッグス状態の発見可能性を評価すること。
• 最新のヒッグスボンズ／ヒッグスシグナルツールおよびATLASの結合限界を用いて、既存の制約を更新・精緻化すること。
• 特に三ヒッグス最終状態および二ボソン崩壊において、将来の加速器が重いヒッグス共鳴状態をどれだけ探査できるかを検討すること。
• イベントカウント基準および断面積シミュレーションに基づき、将来の実験計画のベンチマークポイントと感度推定値を提供すること。

提案手法

• 真空期待値によるソフト破れを伴う$\mathbb{Z}_2$-対称性を有する標準模型の実スカラーダイレクト拡張を用い、$\sin\alpha$、$m_2$、および$\tan\beta = v/v_s$でパラメータ化する。
• 2HDMCおよびScannerSなどのツールを用いて、有界性からの下界、摂動的ユニタリティ、および結合の摂動的有限性による理論的制約を適用する。
• LHCデータの実験的制約にはヒッグスボンズおよびヒッグスシグナルを用い、ダークマターの残存密度および直接検出限界にはMicrOMEGAsを適用する。
• 14 TeV LHCにおける三ヒッグス最終状態の信号およびバックグラウンドシミュレーションにはMadGraph5_aMC@NLOおよびHERWIGを用いる。
• カウント基準を用いて加速器感度を評価する：名目のフルエンスで1000個の信号イベントが生成される場合、そのベンチマークは到達可能とみなされる。
• 修正済みUFOモデルファイルを用いたMadGraph5を用いて、ppおよび$\mu\mu$衝突機における$AA$、$H^+H^-$およびVBFタイプの過程の生成断面積を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実スカラーダイレクト拡張における現在の実験的制約は何か、特に$H \to h_{125}h_{125}$崩壊モードに関しては？
• RQ2 二ボソン最終状態およびRun 1/Run 2 LHC探索は、インテルト二重項モデルのパラメータ空間をどのように制約するか？
• RQ3 将来の加速器（HL-LHC、FCC-hh、CLIC、ミューオン衝突機）におけるインテルト二重項モデルの重いヒッグス状態の発見可能性の予測は？
• RQ4 14 TeV LHCにおいて、現在の解析戦略で三ヒッグス最終状態$pp \to h_1 h_1 h_1 \to 6b$が観測可能か？
• RQ5 VBFタイプの生成モードは、高エネルギー加速器におけるスカラー共鳴状態の発見可能性をどのように向上させるか？

主な発見

• 実スカラーダイレクトモデルにおいて$\tan\beta = 0.1$の場合、最も制約の厳しい直接探索は二ボソン最終状態であり、特にATLAS Run 2データからのものである。
• $H \to h_{125}h_{125}$崩壊モードはATLASの結合限界によって制約されており、$m_2 \geq 125$ GeVの領域ではモデルの許容パラメータ空間が顕著に縮小されている。
• インテルト二重項モデルにおいて、13 TeV LHCにおける$AA$および$H^+H^-$ペア生成が最も感受性が高く、VBFタイプのモードは発見可能性を最大2倍まで向上させる。
• 27 TeVプロトン-プロトン衝突機では、$AA$および$H^+H^-$生成に関して10 TeVミューオン衝突機と同等の発見可能性を示し、100 TeV FCC-hhは30 TeV $\mu\mu$衝突機と同等の性能を示す。
• 三ヒッグス最終状態$pp \to h_1 h_1 h_1 \to 6b$に関しては、$m_2 \approx 255-320$ GeVおよび$m_3 \approx 454-504$ GeVのベンチマークポイントでは、それぞれ300 fb$^{-1}$および3000 fb$^{-1}$の積分光度で、有意水準が2.92および15.86に達する。
• $\sigma(pp \to h_1 h_1 h_1)$の断面積は32.40 fbから51.00 fbの範囲にあり、対応する$3b\bar{b}$最終状態の断面積は6.40 fbから10.07 fbの範囲にあり、中程度の光度で検出可能であると示唆される。