[論文レビュー] Phenomenology of the dark matter sector in the 2HDM extended with complex scalar singlet

Juhi Dutta, Gudrid Moortgat‐Pick+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、複素スカラー単粒子によって拡張された2ヒッグスダブルレットモデル（2HDMS）を、ダークマターのフレームワークとして調査している。このモデルでは、単粒子のスカラーおよびパラメトニック成分が2成分のダークマター候補を形成する。単粒子は真空期待値をとらないため、ヒッグス系に混合せず、2HDMのヒッグススペクトルを保つ。主な結果として、2HDMSはリリック密度および直接検出制約を満たしており、特に√s ≈ 3 TeVの将来のe+e−衝突機において2b + /E_Tチャンネルで発見可能性を示す。

ABSTRACT

The two-Higgs-doublet model augmented with a complex scalar singlet (2HDMS) is a well-motivated candidate for Beyond Standard Model (BSM) Physics. We investigate the dark matter phenomenology of the 2HDMS with the complex scalar singlet as the dark matter candidate. We perform a study of the parameter space allowed by existing theoretical and experimental constraints from dark matter, flavour physics and collider searches. Further, we discuss a few benchmark scenarios to test the discovery potential for the 2HDMS at the HL-LHC and at future high-energy $e^+e^-$ colliders.

研究の動機と目的

• タイプII 2HDMの次に最小の拡張である複素スカラー単粒子を有するモデルにおいて、ダークマターの素粒子物理学的性質を調査すること。この単粒子は真空期待値をとらない。
• 理論的、宇宙論的、実験的制約（リリック密度、直接検出、フラバー物理学、コライダー探索を含む）を満たすパラメータ領域を同定すること。
• HL-LHCおよび将来の高エネルギーe+e−衝突機におけるモデルの発見可能性を評価すること。特に2b + /E_T最終状態に注目すること。
• U(1)対称性保護型とU(1)対称性破れ型の違いを比較し、ダークマターの安定性および素粒子物理学的性質の違いを強調すること。
• 将来のコライダー研究のためのベンチマークポイント（BP1–BP3）を提供し、e+e−衝突機における信号の有意水準推定値を含めること。

提案手法

• タイプII 2HDMに真空期待値をとらない複素スカラー単粒子を追加することでモデルを拡張し、ヒッグスダブルレットと混合しないようにし、2HDMのヒッグススペクトルを維持する。
• 複素スカラー単粒子は、U(1)対称性が破れない限り、スカラーおよびパラメトニック成分の両方が安定である2成分のダークマター候補を提供する。
• 理論的および実験的制約は、HiggsBounds、HiggsSignals、micrOMEGAs、maDDMを用いて適用され、リリック密度、直接検出断面積、フラバー物理学の評価が行われる。
• e+e−衝突機における2b + /E_T最終状態の信号の有意水準は、積分 luminosity 5 ab⁻¹を用いた信号対背景解析により計算される。
• 異なる質量領域および分岐比を探索するため、ベンチマークシナリオ（BP1–BP3）が構築され、BP3はU(1)対称性破れ型に焦点を当てる。
• 直接検出断面積は、木レベルのヒッグス交換を用いて解析的に計算され、タイプII 2HDMからの陽子および中性子の形因子およびクォーク結合を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMSモデルにおける、リリック密度および直接検出制約を満たすパラメータ領域は何か？
• RQ2 複素スカラー単粒子が真空期待値をとらないことにより、ヒッグス系およびダークマターの素粒子物理学的性質にどのような影響を与えるか？
• RQ3 HL-LHCおよび将来のe+e−衝突機における2HDMSモデルの発見可能性は何か、特に2b + /E_T最終状態に注目して。
• RQ4 U(1)対称性保護型とU(1)対称性破れ型の間で、ダークマターの安定性、不可視分岐比、コライダーのシグネチャにどのような違いがあるか？
• RQ5 このモデルは、95 GeVの過剰や(g-2)の異常を説明または適合させることができるか？また、既存のモデルと比較してどう異なるか？

主な発見

• 真空期待値をとらない複素スカラー単粒子を有する2HDMSモデルは、2成分のダークマター候補として、リリック密度制約を満たし、直接検出制限のもとでも有効である。
• U(1)対称性保護型（BP1およびBP2）では、√s ≈ 3 TeVのe+e−衝突機において、5 ab⁻¹の積分 luminosity で2b + /E_Tチャンネルの信号有意水準が1.36σに達し、より高いヒッグスからダークマターへの分岐比では3.65σに向上する。
• U(1)対称性破れ型（BP3）では、重いヒッグスの不可視分岐比が最大3.9%に達し、同じ luminosity で信号有意水準は約2.81σに達する。
• 追加の軽いヒッグスが存在しないため、タイプII 2HDMにおける95 GeVのスカラー過剰領域を回避する。これは、このような共鳴状態を含むモデルとは明確に異なる。
• 直接検出断面積は、木レベルのヒッグス交換を用いて解析的に計算され、BP3では陽子および中性子のスピン不変断面積がそれぞれ2.66×10⁻¹¹ pbおよび2.79×10⁻¹¹ pbである。
• ベンチマークポイントBP3では、重いヒッグスが833.5 GeV、ダークマター質量が428.88 GeVであり、3.9%の顕著な不可視分岐比を有する。これは、将来のe+e−衝突機の主要な標的である。