[논문 리뷰] A short overview on low mass scalars at future lepton colliders -- Snowmass White Paper

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 저질량 스칼라 보자이론(≤125 GeV)의 탐지 가능성을 검토하며, 싱게트 확장, 2HDM, N2HDM 등 다양한 모델을 중심으로 분석한다. 향후 240–250 GeV 중심질량 에너지의 힉스 팩토리에서는 $Z h$ 및 $\nu\bar{\nu} h$ 생성과 같은 과정을 통해 가벼운 스칼라를 탐지할 수 있으며, 특히 고광도 운용 조건에서 $m_h \lesssim 70$ GeV일 경우 최대 $10^6$ 건의 사건에 도달하는 감도를 확보할 수 있다.

ABSTRACT

In this whitepaper, I give a short summary on possible channels of low-mass scenarios and their discovery potential at future $e^+e^-$ colliders. This is a summary of talks I recently gave at the CEPC workshop, FCC week and ECFA future collider workshop.

연구 동기 및 목표

• 향후 $e^+e^-$ 충돌기, 특히 중심질량 에너지가 240–250 GeV인 힉스 팩토리에서 저질량 스칼라 보자이론(≤125 GeV)의 탐지 가능성을 평가하는 것.
• 싱게트 확장, 이중 힉스 듀블릿 모델(2HDMs), N2HDM 등 추가적인 저질량 스칼라 상태를 허용하는 모델에 대한 현상물리학적 연구를 요약하는 것.
• 특히 160 GeV 및 350 GeV에서 $Z h$, $\nu\bar{\nu} h$, $h_1 h_2$ 최종 상태에 대한 향후 충돌기의 감도를 부각하는 것.
• 전이적 전이 및 모델 의존 신호 강도를 고려한 저질량 스칼라 탐색에 대한 향후 심층 연구를 장려하는 것.

제안 방법

• 최근 워크숍 및 컨ference(CEPC, FCC, ECFA 등)에서의 현상물리학 분석을 종합 및 요약한다.
• 모델 매개변수를 제약하기 위해 HiggsBounds-5.10.2 및 HiggsSignals-2.6.2를 사용하며, 실험적, 이론적, 전자약력 정밀도 제약 조건을 적용한다.
• ScannerS와 같은 도구를 사용해 매개변수 공간을 스캔하며, 두 개의 실수 스칼라 싱게트 모델(TRSM)와 같은 모델의 혼합 각도 및 질량 평면에 결과를 시각화한다.
• 160 GeV, 240 GeV, 350 GeV에서 $Z h$, $\nu\bar{\nu} h$, $h_1 h_2$ 생성에 대한 단면적 예측을 수행하며, 온셸 및 오프셸 기여를 가정한다.
• 1–2 ab⁻¹의 루미노시티를 가정하여 $c\bar{c}b\bar{b}$, $b\bar{b}$, $\tau^+\tau^-$, $W^+W^-$ 최종 상태의 신호 유의도를 계산한다.
• 기존 LEP 및 LHC 제약 조건을 재해석하며, 특히 $pp \to h_{125} \to ss \to XXYY$ 과정을 통해 혼합 각도 및 분해비를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SM 스칼라 부문의 싱게트 및 듀블릿 확장에서 저질량 스칼라 상태(125 GeV 이하)에 대해 향후 $e^+e^-$ 충돌기의 감도는 어떠한가?
• RQ2 160 GeV 및 240 GeV에서의 $Z h$ 및 $\nu\bar{\nu} h$ 생성 모드는 가벼운 스칼라의 탐지 가능성을 어떻게 기여하는가?
• RQ3 350 GeV 중심질량 에너지에서 2HDM 및 N2HDM 모델의 저질량 스칼라 생성에 대해 달성 가능한 사건 수는 얼마인가?
• RQ4 기존 LEP 및 LHC에서 관측된 $h_{125} \to ss$ 붕괴 채널의 초과 현상은 저질량 스칼라를 포함하는 모델로 설명될 수 있는가? 향후 충돌기에서 예측되는 사건 수는?
• RQ5 240 GeV에서 $c\bar{c}b\bar{b}$ 최종 상태에 대한 캄프 태깅 효율성과 최종 상태 운동량 기하학이 가벼운 스칼라 탐지에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 240 GeV에서 1 ab⁻¹ 루미노시티 조건 하에서 3HDM 모델의 $c\bar{c}b\bar{b}$ 최종 상태에서, 70 GeV 이하의 저질량 스칼라에 대해 캄프 태깅 효율성에 따라 최대 5σ의 유의도를 확보한다.
• 160 GeV에서 일반적인 억제 인자 약 0.1과 FCC-ee 루미노시티를 가정할 경우, $m_h \lesssim 70$ GeV에 대해 최대 $10^6$ 건의 $Z h$ 사건이 기대되며, 비-$Z h$ 과정으로부터 $\nu\bar{\nu} h$에 기여는 없다.
• 두 개의 가벼운 스칼라를 포함하는 TRSM에서는 $m_{h_1}, m_{h_2} \lesssim 125$ GeV인 매개변수 영역이 타당하며, 허용 영역 내 혼합 각도 $\sin\alpha$는 0.05에서 0.25 사이이다.
• 2HDM 및 N2HDM 모델에서는 하나 또는 두 개의 추가 스칼라가 125 GeV 이하의 질량을 가지는 영역이 존재하며, 현재 LHC 및 LEP 제약 조건과 일치하는 분해비 및 결합 상수를 가진다.
• 350 GeV에서 힉스 스트라우링 과정 및 $\nu\bar{\nu} h$ 최종 상태($h \to b\bar{b}$ 포함)는 다양한 2HDM 변종에서 높은 사건 수를 제공하며 강력한 탐지 가능성을 시사한다.
• 250 GeV에서 2 ab⁻¹ 루미노시티 조건 하에서 2HDM 및 N2HDM 모델의 $h \to \tau^+\tau^-$, $gg$, $W^+W^-$ 붕괴에 대해 예측된 사건 수는 특히 $\tan\beta$ 범위가 0.05–0.25일 경우 뚜렷한 신호 강도를 보인다.