[論文レビュー] Probing the dark sector via searches for invisible decays of the Higgs boson at the ILC

Yuji Katō|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）と国際大径子検出器（ILD）を用いて、暗黒物質をヒッグスボソンの見えない崩壊を通じて探査する能力を評価する。√s = 250 GeVおよび500 GeVにおけるフル検出器シミュレーションを用い、ヒッグスボソンの見えない崩壊の分支比に対する95%信頼水準の上限を0.23%に達成した。これはHL-LHCの見通しを10倍上回り、低質量の暗黒物質探索におけるILCの優れた感度を示している。

ABSTRACT

Although the existence of Dark Matter (DM) has been suggested by various astrophysical observations, it has not yet been discovered today. We can assume a scenario in which the particles that account for the DM can interact with the Standard Model particles only through their couplings with the Higgs sector, the so-called Higgs-portal model. This model can be investigated by collider experiment using the invisible decay of Higgs boson. In this study, we evaluate the search ability of International Linear Collider (ILC) for invisible decay of the Higgs using International Large Detector (ILD) full detector simulation. We estimate 95% C.L. upper limit (UL) on the branching ratio of invisible Higgs decays and compare them between two center-of-mass energy conditions: $\\sqrt{s} = 250$ GeV and 500 GeV. In addition, we describe the complementarity of lepton collider experiment to the direct detection experiment about DM search ability.

研究の動機と目的

• 国際線形衝突型加速器（ILC）とILD検出器を用いたヒッグスボソンの見えない崩壊への感度を評価すること。
• √s = 250 GeVおよび500 GeVにおけるILCの見えないヒッグス崩壊の発見可能性を比較すること。
• レプトン衝突型実験（例：ILC）と直接検出実験の相乗効果が、暗黒物質の探査において果たす役割を評価すること。
• 見えないヒッグス崩壊の分支比を通じて、ヒッグス・ポータル型暗黒物質モデルを制約するILCの到達範囲を定量すること。

提案手法

• √s = 250 GeVおよび500 GeVにおけるMokka/DD4HepおよびGeant4ベースのILD検出器モデルを用いたフル検出器シミュレーション。
• Marlinフレームワーク内でのPandoraPFAアルゴリズムを用いたイベント再構築により、高分解能での粒子およびジェットの再構築。
• マルチバリアブル分離タグギング（MVA）をレプトンに適用し、粒子フロー対象（PFOs）、トラック多重度、ジェット運動量に選択カットを適用。
• e+e− → ZHでH → 未知、Z → q̄qの場合に、欠落エネルギーを用いてヒッグスボソンを同定するための反動質量再構築。
• 反動質量ビンごとのルート・マンス・スクエア合成による有意性推定の後、10%の分支比信号の有意性を用いて95%信頼水準の上限を計算。
• 信号および背景シミュレーションにビームストラールング、初期状態放射、γγ背景を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILC（√s = 250 GeVおよび500 GeV）におけるILD検出器を用いた、見えないヒッグス崩壊への感度はいかほどか？
• RQ2 ILCの見えないヒッグス崩壊検出性能は、HL-LHCの見通しと比べてどうか？
• RQ3 ビームの偏光およびZ → q̄q対比Z → l̄l崩壊モードが、見えないヒッグス崩壊への感度を向上させる役割は何か？
• RQ4 低質量の暗黒物質に対して、ILCの暗黒物質探索の到達範囲は直接検出実験と比べてどうか？
• RQ5 ILCは、見えないヒッグス崩壊の分支比を通じて、ヒッグス・ポータルモデルをどの程度まで探査できるか？

主な発見

• √s = 250 GeVにおける見えないヒッグス崩壊の分支比に対する95%信頼水準の上限は0.23%であり、HL-LHCの見通し（1.9%）を著しく上回る。
• 250 GeVにおける感度はHL-LHCのおよそ10倍高く、ハドロン的Z → q̄qチャンネルが感度の主な寄与を占めている。
• 両方のビーム偏光設定を組み合わせた場合、500 GeVでの上限は0.78%に改善されるが、イベントレートの低下により250 GeVより感度は低くなる。
• ILCのクリーンな環境と反動質量技術により、欠落エネルギーの高精度測定が可能であり、これは見えないヒッグス崩壊の探査に最適である。
• ヒッグスボソンの見えない崩壊は、直接検出実験と補完的であり、特に低質量の暗黒物質（約10 GeV未満）に対して優れた感度を示す。
• ILCの暗黒物質探索の到達範囲は、他のレプトン衝突型プロジェクトと同等であり、ヒッグス・ポータルモデルの探査における独自の役割を強調している。