[論文レビュー] Higgs Production in Association with a Dark-Z at Future Electron Positron Colliders

Pierce Giffin, Ian Lewis+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 71被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、将来の電子陽電子衝突型加速器において、標準的ヒッグス生成閾値未満のエネルギー（例：√s = 160 GeV）で、軽いダークZボソン（Zd）と関連してヒッグスボソンが生成されることを検出する、新しい探索手法を提案する。高分解能検出器を用いた研究により、e⁺e⁻ → hZd 反応が、δ ∼ 8 × 10⁻³ の h–Z–Zd 相互作用カップリングおよび1 GeV未満のZd質量に対して1–2 abの断面積に感度を持つことが示され、現在のLHC探索では検出できない軽いZdボソンの発見が可能になる。

ABSTRACT

In recent years there have been many proposals for new electron-positron colliders, such as the Circular Electron-Positron Collider, the International Linear Collider, and the Future Circular Collider in electron-positron mode. Much of the motivation for these colliders is precision measurements of the Higgs boson and searches for new electroweak states. Hence, many of these studies are focused on energies above the $h\,Z$ threshold. However, there are proposals to run these colliders at the lower $WW$ threshold and $Z$-pole energies. In this paper, we propose a new search for Higgs physics accessible at lower energies: $e^+e^- ightarrow h\,Z_d$, where $Z_d$ is a new light gauge boson such as a dark photon or dark-$Z$. Such searches can be conducted at the $WW$ threshold, i.e. energies below the $h\,Z$ threshold where exotic Higgs decays can be searched for in earnest. Additionally, due to very good angular and energy resolution at future electron-positron colliders, these searches will be sensitive to $Z_d$ masses below 1 GeV, which is lower than the current direct LHC searches. We will show that at $\sqrt{s}=160$ GeV with 10 ab$^{-1}$, a search for $e^+e^- ightarrow h\,Z_d$ is sensitive to $h-Z-Z_d$ couplings of $\delta\sim 8 imes 10^{-3}$ and cross sections of $\sim 1-2$ ab for $Z_d$ masses below 1 GeV. The results are similar at $\sqrt{s}=240$ GeV with 5 ab$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 将来の電子陽電子衝突型加速器を用いて、軽いダークZボソン（Zd）と関連して生成されるヒッグスボソンの崩壊およびカップリングにおける新しい物理を探索すること。
• 現在のLHC探索では感度が不足する低質量領域に位置する軽いZdボソン（mZd < 1 GeV）の発見を可能にすること。
• 標準的ヒッグス生成の閾値である240 GeV未満のエネルギー領域で、h–Z–Zd カップリングを調べる可能性を示すこと。
• 将来の加速器の高エネルギーおよび高角度分解能を活用して、ダークセクター理論の未踏のパラメータ空間にアクセスすること。

提案手法

• Zdを、U(1)d対称性の破れによって生じる軽いゲージボソンとモデル化し、質量混合または運動量混合によってヒッグスおよび標準模型Zボソンと相互作用する有効カップリングを導入する。
• 有効ラグランジュアンのアプローチを用いて、h–Z–Zd 相互作用を記述し、Z–Zd 間の質量混合から導かれるカップリング強度パラメータ δ で表す。
• √s = 160 GeV および √s = 240 GeV での e⁺e⁻ → Z* → hZd 反応をシミュレーションし、Zd がレプトン対（Zd → ℓ⁺ℓ⁻）に崩壊すると仮定する。
• 実際の検出器レベルのカットおよび再構成技術（特にヒッグスおよびZdのインバリアント質量再構成）を適用し、バックグラウンドを抑制する。
• モンテカルロシミュレーションおよび信号効率の計算を用いて、さまざまなZd質量およびカップリング強度における発見感度を推定する。
• 統計的有意性の推定に、漸近的公式（例：Feldman–Cousins）を用い、信号に対する感度を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 240 GeV未満のエネルギーで動作する将来の電子陽電子衝突型加速器において、軽いダークZボソン（Zd）と関連するヒッグスボソン生成を発見できるか？
• RQ2 Zd質量が1 GeV未満の場合、このような探索が h–Z–Zd カップリングにどの程度感度を持つのか？
• RQ3 将来の加速器は、現在のLHCの感度閾値（約1 GeV）未満のZd質量を探索可能か？
• RQ4 将来の加速器の高エネルギーおよび高角度分解能は、LHCと比較して軽いZdボソンの発見感度をどのように向上させるか？
• RQ5 δ ∼ 8 × 10⁻³ の hZd 生成を発見する感度を達成するには、どの積分 luminosity および中心系エネルギーが必要か？

主な発見

• √s = 160 GeV、10 ab⁻¹ の積分 luminosity の条件下で、この探索は δ ∼ 8 × 10⁻³ の h–Z–Zd カップリングに感度を持つ。
• 同様の探索では、1 GeV未満のZd質量に対して1–2 abの断面積感度に達する。
• 発見感度は1 GeV未満のZd質量まで拡張され、現在のLHC感度限界（mZd > 1 GeV）を上回る。
• √s = 240 GeV、5 ab⁻¹ の条件でも、√s = 160 GeV、10 ab⁻¹ の条件と同等の感度を示し、エネルギー点間での性能の安定性を示している。
• WW閾値走行（160 GeV）が、標準的ヒッグス生成モードでは到達できない、非電磁的ヒッグス崩壊および新しい物理にアクセス可能であることを示している。
• 将来の加速器の高分解能性能により、ヒッグスおよびZdの最終状態が明確に再構成可能となり、信号対バックグラウンドの分離が著しく向上する。