[論文レビュー] Higgs-boson visible and invisible constraints on hidden sectors

Thomas Biekötter, Mathias Pierre|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるヒッグス粒子の生産および崩壊断面積測定結果を用いたカイ二乗フィットを通じて、ヒッグス粒子h125を介した隠れたセクターへの制約を検討する。これにより、結合定数修正係数および非可視分岐比BRinvの除外限界が導かれる。非可視崩壊の直接探索に比べ、断面積測定からの間接的制約がしばしば強く、非可視崩壊が、そうでなければ間接的制約によって除外されるパラメータ空間を救う可能性があることが示される。

ABSTRACT

We investigate the impact of interactions between hidden sectors and the discovered Higgs boson $h_{125}$, allowing for additional invisible decay channels of $h_{125}$. We perform $\chi^2$-fits to the measurements of the Higgs-boson cross sections as a function of the invisible branching ratio and different combinations of coupling modifiers, where the latter quantify modifications of the couplings of $h_{125}$ compared to the predictions of the Standard Model. We present generic results in terms of exclusion limits on the coupling modifiers and the invisible branching ratio of $h_{125}$. Additionally, we apply our results to a variety of concrete model realizations containing a hidden sector: dark matter within Higgs- and singlet-portal scenarios, models featuring (pseudo) Nambu-Goldstone bosons and two Higgs doublet extensions. One of the main conclusions of our work is that in a wide class of models the indirect constraints resulting from the measurements of the cross sections of $h_{125}$ provide substantially stronger constraints on the invisible Higgs-boson branching ratio compared to the direct limits obtained from searches for the invisible decay of $h_{125}$. However, we demonstrate that the presence of an invisible decay mode of $h_{125}$ can also open up parameter space regions which otherwise would be excluded as a result of the indirect constraints. As a byproduct of our analysis, we show that in light of the new results from the LZ collaboration a fermionic DM candidate within the simplest Higgs-portal scenario is completely ruled out.

研究の動機と目的

• LHCデータを用いて、非可視ヒッグス崩壊が隠れたセクターに与える制約への影響を評価すること。
• ヒッグス信号強度測定からの間接的制約と、非可視崩壊探索からの直接的限界を比較すること。
• 更新されたヒッグスデータのもとで、ヒッグスポータルおよびシングレットポータルダークマター、(準)ニーマン＝ゴールドストーン粒子、2ヒッグスダブルレットモデルなどのさまざまな隠れたセクター模型の妥当性を評価すること。
• 非可視崩壊モードの存在が、そうでなければ間接的制約によって除外されるパラメータ空間の領域を緩和できるかどうかを特定すること。

提案手法

• LHCヒッグス信号強度測定に全域的カイ二乗フィットを実施し、結合定数修正係数とBRinvを変動させる。
• 測定されたヒッグス生成および崩壊断面積（ggF、VBF、VH、ttH、bb̄、ττ、γγなど）を制約条件として用いる。
• 結合定数が変更されたモデル（ユニバーサルおよび非ユニバーサル）と非ゼロの非可視分岐比を持つモデルに適用する。
• モデルに依存しない方法で、結合定数修正係数およびBRinvの除外限界を導出する。
• 具体的な隠れたセクター模型（ヒッグスポータルDM、シングレットポータルDM、(P)NGBs、異なるヤウカ型を有する2HDMs）に結果を適用する。
• 直接検出実験LZの最新の限界を組み込み、フェルミオン的ダークマター候補の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非可視分岐比BRinvについて、ヒッグス信号強度測定からの間接的制約は非可視崩壊探索からの直接的限界に比べてどの程度強いのか。
• RQ2 非可視ヒッグス崩壊モードの存在が、そうでなければ間接的制約によって除外されるパラメータ空間の領域を救えるのか。
• RQ3 最新のLZ直接検出限界が、最も単純なヒッグスポータルモデルにおけるフェルミオン的ダークマターに与える影響は何か。
• RQ4 拡張されたヒッグスセクターを持つモデル、例えば(P)NGBsにおいて、混合角とBRinvの制約がどのように相互に作用するか。
• RQ5 BRinvが非ゼロの場合、特にタイプI、II、III、IVの2HDMにおいて、どのパラメータ空間領域が依然として妥当性を保っているか。

主な発見

• 非可視分岐比BRinvについて、ヒッグス信号強度測定からの間接的制約は、非可視崩壊探索からの直接的限界よりも顕著に強い。
• 広範なモデルクラスにおいて、間接的制約が支配的であり、直接探索では許容されるが、間接的制約によって除外される領域が存在する。
• 非可視崩壊モードの存在が、非ユニバーサル結合定数修正を持つモデルにおいて特に顕著に、そうでなければ除外されるパラメータ空間の領域を救う可能性がある。
• 最も単純なヒッグスポータルフェルミオン的ダークマター模型において、最新のLZ直接検出限界は、標準的仮定のもとで正しい再結合密度に対応するベンチマーク点を除外する。
• タイプIIおよびIVの2HDMにおいて、BRinv = 10%でも、小さな正のcos(α−β)を持つ狭い妥当領域が残っており、BRinv > 2%では誤った符号のヤウカ型領域も妥当性を保つ。
• 混合角とBRinvの両方の制約を独立して適用すると、両者の相関を考慮しないため、許容可能なパラメータ空間が過大評価される。これは、両観測量を含むグローバルフィットによって明らかにされた。