[論文レビュー] Inert Doublet Model signatures at future $e^+e^-$ colliders

Dorota Sokolowska, J. Kalinowski+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、現在の宇宙論的および加速器の制約のもとで妥当なInert Doublet Model (IDM)のベンチマークシナリオを提案し、将来の$e^+e^-$衝突機における$e^+e^- \to H^+H^-$および$e^+e^- \to AH$生成に続くレプトン的および半レプトン的崩壊を介してその検出可能性を評価している。半レプトン的最終状態が顕著に発見感度を向上させることを示しており、3 TeVの中心系エネルギーおよび5 ab$^{-1}$の全ラミニosityで、1 TeVまでのチャージドスカラー質量について5$\sigma$の有意性を達成可能である。

ABSTRACT

The Inert Doublet Model (IDM) is one of the simplest extensions of the Standard Model (SM), providing a dark matter candidate. It is a two Higgs doublet model with a discrete $Z_2$ symmetry, that prevents the scalars of the second doublet (inert scalars) from coupling to the SM fermions and makes the lightest of them stable. We study a large group of IDM scenarios, which are consistent with current constraints on direct detection, including the most recent bounds from the XENON1T experiment and relic density of dark matter, as well as with all collider and low-energy limits. We propose a set of benchmark points with different kinematic features, that promise detectable signals at future $e^+e^-$ colliders. Two inert scalar pair-production processes are considered, $e^+e^- o H^+H^-$ and $e^+e^- o AH$, followed by decays of $H^\pm$ and $A$ into final states which include the lightest and stable neutral scalar dark matter candidate $H$. Significance of the expected observations is studied for different benchmark models and different running scenarios, for centre-of-mass energies up to 3 TeV. Numerical results are presented for the signal signatures with two muons or an electron and a muon in the final state. For high mass scenarios, when the significance is too low for the leptonic signatures, the semi-leptonic signature can be used as the discovery channel.

研究の動機と目的

• XENON1T直接検出、残存密度、LHCの制限を含む、すべての現在の実験的制約と整合するIDMシナリオを同定すること。
• 将来の$e^+e^-$衝突機における検出可能性を最大化する多様な運動的特徴を持つベンチマークポイントを提案すること。
• ILCおよびCLICにおける複数の中心系エネルギーで、レプトン的および半レプトン的最終状態を通じたIDMスカラーの発見可能性を評価すること。
• 高質量シナリオにおいて、純レプトン的シグナルと比較して半レプトン的チャネルがもたらす感度の向上を評価すること。

提案手法

• 理論的および実験的制約（摂動的ユニタリティ、真空安定性、電弱精度テストを含む）を満たす、先行研究からのベンチマークポイントのセットを用いる。
• 2つの生成過程を分析する：$e^+e^- \to H^+H^-$および$e^+e^- \to AH$、その後に$H^\pm \to W^{\pm}H$および$A \to Z^{(\star)}H$の崩壊が続く。ここで$H$は安定なダークマター候補である。
• 最終状態に2つのミューオン（$\mu^+\mu^-$）、電子-ミューオンペア（$e^\pm\mu^\mp$）、および$l^\pm\nu$とジェットを含む半レプトン的モードを含むシグナルの署名を検討する。
• モンテカルロシミュレーションを用いてシグナルおよびバックグラウンドイベントを推定し、250、380、500 GeVでの1 ab$^{-1}$、および1.5 TeVでの2.5 ab$^{-1}$、3 TeVでの5 ab$^{-1}$の条件で有意性を計算する。
• 信号対バックグラウンド比を向上させるために運動学的カットおよび失われた横断運動量（$\cancel{E}_T$）再構成を含む。
• 感度は有意性$S/\sqrt{B}$を用いて定量化され、ここで$S$および$B$はそれぞれシグナルおよびバックグラウンドイベントを表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 TeVまでのダークマター質量を持つ妥当なIDMシナリオは、将来の$e^+e^-$衝突機で発見可能か？
• RQ2 ILCおよびCLICにおける中心系エネルギーおよび全ラミニosityの変化に伴い、IDMスカラーの発見感度はどのように変化するか？
• RQ3 高質量IDMシグナルにおいて、半レプトン的最終状態と純レプトン的チャネルの相対的な感度向上はどの程度か？
• RQ4 $H^\pm \to W^\pm A \to W^\pm ZH$のようなカスケード崩壊は、レプトン的チャネルにおける信号有意性をどの程度低下させるか？

主な発見

• 250 GeV、380 GeV、500 GeVの中心系エネルギーでは、それぞれ中性スカラー対生成の発見感度が$m_A + m_H \approx 220$ GeV、300 GeV、330 GeVにまで及ぶ。
• チャージドスカラー対生成では、250 GeV、380 GeV、500 GeVのエネルギーでそれぞれ$m_{H^\pm} \approx 110$ GeV、160 GeV、200 GeVまで発見可能である。
• 1.5 TeVで2.5 ab$^{-1}$の条件では、$\mu^+\mu^-$チャネルは$m_A + m_H < 450$ GeVまで、$e^\pm\mu^\mp$チャネルは$m_{H^\pm} < 500$ GeVまで探査可能である。
• 半レプトン的チャネル$H^+H^- \to HH l^\pm \nu qq$は、より大きな分岐比と改善された信号対バックグラウンド比のおかげで、純レプトン的チャネルと比較して3〜6倍の有意性を示す。
• 3 TeVで5 ab$^{-1}$の条件では、$m_{H^\pm} \leq 1$ TeVのベンチマークポイントのうち1つを除き、すべてのシナリオで半レプトン的チャネルで5$\sigma$の有意性が達成される。
• 3 TeVでのレプトン的チャネルには、発見感度に顕著な向上が認められず、最高質量領域を探査するには半レプトン的モードが不可欠であることが示された。