[논문 리뷰] Dark Matter Phenomenology in 2HDMS in light of the 95 GeV excess

Juhi Dutta, Jayita Lahiri외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 95 GeV에서 관측된 γγ 및 b¯b 최종 상태의 초과 현상과 동시에 타당한 편소자 어두운 물질(DM) 후보를 설명할 수 있는 복소 스칼라 싱게틀을 가진 타입 II 두 개의 힉스 두중체 모형(2HDMS)을 제안한다. 이 모형은 2HDM 힉스 세그먼트와 혼합되는 실수 싱게틀 진공 기대값을 갖으며, 95 GeV에서 경량의 CP-짝성 스칼라(h3)와 안정된 편소자 어두운 물질(AS)을 생성한다. 벤치마크 점은 이론적 및 실험적 제약 조건을 모두 충족하며, 향후 렙톤 충돌기, 특히 뮤온 충돌기에서의 탐지 가능성이 매우 높다.

ABSTRACT

The Two Higgs Doublet model extended with a complex scalar singlet (2HDMS) is a well-motivated Beyond Standard Model candidate addressing several open problems of nature. In this work, we focus on the dark matter (DM) phenomenology of the complex scalar singlet where the real part of the complex scalar obtains a vacuum expectation value. The model is characterized by an enlarged Higgs spectrum comprising six physical Higgs bosons and a pseudoscalar DM candidate. We address the impact of accommodating the 95 GeV excess on the 2HDMS parameter space and DM observables after including all theoretical and experimental constraints. Finally, we look into the prospects of this scenario at HL-LHC and future lepton colliders for a representative benchmark.

연구 동기 및 목표

• CMS와 LEP에서 관측된 γγ 및 b¯b 최종 상태에서의 95 GeV 초과 현상을 동시에 설명할 수 있는 2HDMS 모형을 탐색한다.
• 유령 밀도, 직접 및 간접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 어두운 물질 후보를 식별한다.
• 이론적(하한에서의 유한성, 단위성) 및 실험적(LHC, LEP, 정밀 관측량) 제약 조건 하에 매개변수 공간을 스캔한다.
• HL-LHC 및 향후 렙톤 충돌기에서의 벤치마크 점 탐지 가능성을 평가하며, 주로 단일-제트, 단일-포톤, 단일-Z 서명을 중심으로 분석한다.

제안 방법

• 모형은 복소 스칼라 싱게틀을 타입 II 2HDM에 추가하며, 실수 부분이 진공 기대값을 취함으로써 싱게틀과 2HDM 힉스 세그먼트 간의 혼합을 유도한다.
• 히긴스 세그먼트는 여섯 개의 물리적 상태를 포함한다: 세 개의 CP-짝성 스칼라(h1, h2, h3), 한 개의 CP-홀수 편소자(A), 쌍의 전하 힉스(H±), 그리고 편소자 어두운 물질 후보(AS).
• 이론적 제약 조건인 하한에서의 유한성(bfb)과 고전적 단위성 조건이 유도되어 매개변수 공간을 제한한다.
• 실험적 제약 조건은 직접 탐지 한계, LHC의 단일-제트 및 단일-Z 탐색, LEP의 b¯b 데이터, 정밀 전자약 상호작용 관측량을 사용하여 적용된다.
• 모든 제약 조건을 충족하고 관측된 95 GeV 신호 강도(μ ≈ 1)를 잘 맞추는 대표적 벤치마크 점을 선정한다.
• HL-LHC(구형 결합, 벡터 보손 결합, 단일-제트, 두 개의 전방 제트 + /E_T) 및 향후 렙톤 충돌기(ILC, 뮤온 충돌기)에서의 충돌기 현상학을 평가하며, 포톤 및 제트 절단 조건(Eγ > 10 GeV, θ > 7°)을 적용한 단일-포톤 및 단일-Z 최종 상태에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDMS 모형은 γγ 및 b¯b 최종 상태에서의 95 GeV 초과 현상을 동시에 수용하면서도 타당한 어두운 물질 후보를 제공할 수 있는가?
• RQ2 이론적 및 실험적 제약 조건 중 어느 것이 2HDMS 모형의 매개변수 공간을 가장 엄격하게 제한하는가?
• RQ3 직접 탐지 및 유령 밀도 제약 조건에 영향을 주는 효과적 DM-히긴스 포털 상호작용 상수(δ′25), tan β, 그리고 DM 질량 항(m′2S)은 무엇인가?
• RQ4 HL-LHC 및 향후 렙톤 충돌기에서의 벤치마크 점 탐지 가능성이 어떻게 되는가? 특히 단일-제트 및 단일-포톤/Z 최종 상태에서의 가능성을 평가한다.
• RQ5 e+e− 및 μ+μ− 충돌기에서의 생성 단면적은 어떻게 비교되며, 비드의 편광은 신호 감도 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 하한에서의 유한성(bfb) 조건이 2HDMS 매개변수 공간에 대해 가장 엄격한 이론적 제약 조건을 제공한다.
• 효과적 DM-히긴스 포털 상호작용 상수 δ′25, tan β, 그리고 DM 질량 항 m′2S는 직접 탐지 실험에 의해 엄격히 제약을 받는다.
• 벤치마크 점은 관측된 95 GeV 신호 강도(μ ≈ 1)를 γγ 및 b¯b 최종 상태에서 잘 맞추며, 모든 이론적 및 실험적 제약 조건을 충족한다.
• 비표준 모형 스칼라의 높은 질량으로 인해 HL-LHC의 단일-제트 및 두 개의 전방 제트 + /E_T 서명은 벤치마크에 대해 유망하지 않다.
• 뮤온 충돌기는 단일-포톤 및 단일-Z 최종 상태에서, 특히 어두운 물질 후보를 포함한 경우, e+e− 충돌기 대비 최대 2~5개의 주요 차수만큼 더 높은 생성 단면적을 제공한다.
• ZASAS 및 ZASASγ 과정은 h3 공진 상태에서 상당한 증폭을 보이며, 뮤온 충돌기가 이러한 신호를 관측할 수 있는 가장 유망한 조건을 제공한다.