[논문 리뷰] Collider signatures of dark CP-violation

A. Cordero-Cid, J. Hernández-Sánchez외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 관성 힉스 두중기와 하나의 표준모형 유사 두중기를 가진 3-힉스 두중기 모형(I(2+1)HDM)를 제안하며, CP 위반은 오직 관성 영역에서만 발생한다. 관성 스칼라의 한 루프 기여를 통해 모형은 CP 위반 ZZZ 접합을 생성하며, 충돌기에서 f¯f → Z* → ZZ 과정에서 관측 가능한 비대칭성과 증가한 단면적을 초래한다. 주요 결과는 이러한 CP 위반 효과가 LHC와 향후 렙톤 충돌기에서 검출 가능하며, 특히 수소적 서명이 렙톤적 서명보다 더 이르게 발견 가능할 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

We study an extension of the Standard Model (SM) in which two copies of the SM-Higgs doublet which do not acquire a vacuum expectation value, and hence are {\it inert}, are added to the scalar sector. The lightest particle from the inert sector, which is protected from decaying to SM particles through the conservation of a $Z_2$ symmetry, is a viable dark matter candidate. We allow for CP-violation in this extended dark sector and evaluate the $ZZZ$ vertex and its CP-violating form factor in several benchmark scenarios. We provide collider signatures of this dark CP-violation in the form of potentially observable asymmetries and cross sections for the $f\bar f o Z^* o ZZ$ process at both leptonic and hadronic machines.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 관성 힉스 두중기와 하나의 활성 두중기를 가진 어둠의 영역에서의 CP 위반 현상학을 탐색하기 위해.
• 관성 스칼라 영역의 CP 위반 위상이 게이지 보손 상호작용에 끼치는 영향을 평가하기 위해.
• 하이드론 및 렙톤 충돌기에서 f¯f → Z* → ZZ 과정에 대한 콘서트 서명—특히 비대칭성과 단면적—을 규명하기 위해.
• LHC 및 향후 e+e− 충돌기인 FCC-ee, ILC, 또는 CEPC에서 이러한 CP 위반 효과의 검출 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 관성 두중기들이 표준모형 페르미온과 결합하지 못하도록 보호하는 Z2 대칭을 가진 3-힉스 두중기 모형(I(2+1)HDM)를 구성하기 위해.
• 스칼라 포텐셜에 복소수 매개변수(예: µ²₁₂, λ₂)를 도입하여 관성 영역에서만 명시적 CP 위반을 생성하기 위해.
• 관성 스칼라 보편자들을 포함한 한 루프 도형을 통해 관성 스칼라 보편자들을 통해 유도된 결합의 실수부에 비례하는 CP 위반 형상인자 fZ₄를 계산하기 위해.
• Z* → ZZ 과정에서 Z 보손의 스핀 밀도 행렬을 계산하여 CP 홀드 비대칭성 A′′₁, A′′₂, 및 A′′(Θ)를 정의하기 위해.
• 유물 밀도, 직접/간접 암흑물질 탐색, LHC 제약 조건을 모두 만족하는 다양한 관성 스칼라 질량과 결합 상수를 가진 벤치마크 포인트(BPs)를 사용하기 위해.
• 하이드론 및 렙톤 충돌기에서 다양한 기체 에너지(200–300 GeV)에 대해 산란 각도 Θ에 따른 비대칭성 A′′(Θ)을 시뮬레이션하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 I(2+1)HDM의 관성 힉스 영역에서의 CP 위반은 충돌기에서 Z 보손 쌍 생성 과정에서 관측 가능한 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 관성 스칼라 영역의 CP 위반 위상은 ZZZ 접합과 f¯f → Z* → ZZ 과정에서의 비대칭성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수소적(q¯q)과 렙톤적(e⁺e⁻) 충돌기 사이에서 이러한 CP 위반 효과에 대한 상대적인 감도는 어떻게 되는가?
• RQ4 여러 관성 스칼라로부터 기인한 CP 위반 기여로 인해 f¯f → Z* → ZZ 과정의 단면적이 크게 증가할 수 있는가?
• RQ5 이러한 CP 위반 신호가 표준모형 유사 힉스 보손의 발견 이전에 관측될 수 있는 실질적인 매개변수 영역이 I(2+1)HDM에 존재하는가?

주요 결과

• ZZZ 접합에 기여하는 CP 위반 형상인자 fZ₄는 루프 유도 결합의 실수부에 비례하며, Z 보손 붕괴 각도 분포에서 측정 가능한 비대칭성 A′′(Θ)을 유도한다.
• 비대칭성 A′′(Θ)는 특정 산란 각도에서 최대가 되며, 기체 에너지에 따라 달라지며, 300 GeV에서 벤치마크 C에서는 약 ∼0.0015, 벤치마크 D에서는 약 ∼0.002에 도달한다.
• f¯f → Z* → ZZ 과정의 수소적 단면적은 일반적으로 렙톤적 단면적보다 크며, 이는 LHC에서 이 모형에서의 CP 위반의 첫 번째 증거를 제공할 수 있음을 시사한다.
• 다양한 관성 스칼라 질량과 CP 위반 위상을 가진 벤치마크 포인트(BPs)는 유물 밀도 및 힉스 신호 강도를 포함한 천체물리학적 및 충돌기 제약 조건을 모두 만족한다.
• 표준모형 페르미온으로의 CP 위반 결합이 없고 Z2 대칭으로 보호되므로 전기 dipole moment(EDM) 측정으로부터의 제약이 없으며, 이는 다른 2HDM 사례보다 더 큰 CP 위반 위상을 허용할 수 있다.
• 모형은 네 개의 관성 중성 스칼라를 포함하며, 모두 ZZZ 루프에 대해 공명적으로 기여하여, 더 적은 관성 상태나 싱เก렛 확장 모델보다는 집합적인 증폭 효과를 통해 CP 위반 효과가 강화된다.