[논문 리뷰] Extended scalar sectors at current and future colliders

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 현재 및 향후 콜라이더 데이터를 활용하여 표준모형을 초월한 확장된 스칼라 섹터, 특히 실수 단일장 및 비활성 이중장 모델을 조사한다. 파rameter 제약 조건과 발견 잠재력을 제약하고 예측한다. LHC 데이터로부터의 업데이트된 제약 조건과 향후 HL-LHC, FCC-hh, 그리고 향후 뮤온 콜라이더에 대한 예측을 제시하며, 27 TeV pp 및 30 TeV μμ 콜라이더에서 무거운 힉스 상태에 대해 1000개의 이벤트 감도 임계치에 도달할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

After the discovery of a particle that complies with the properties of the Higgs boson predicted by the Standard Model, particle physics has entered an exciting era. One important question is whether the scalar sector realized by Nature indeed corresponds to the one predicted by the SM, or whether the resonance at 125 GeV is a manifestation of a more extended scalar sector, and additional scalar states could be observed at current or future collider facilities.

연구 동기 및 목표

• 현재 실험 제약 조건 내에서 확장된 스칼라 섹터—특히 실수 단일장 및 비활성 이중장 모델—의 타당성을 평가하기 위해.
• 현재(LHC) 및 향후 콜라이더(HL-LHC, FCC-hh, CLIC, 뮤온 콜라이더)에서 추가적인 힉스 유사 상태의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 최신 HiggsBounds/HiggsSignals 도구와 ATLAS 조합 한계를 활용하여 기존 제약 조건을 업데이트하고 정교화하기 위해.
• 특히 삼중 힉스 최종 상태와 이중보존 붕괴에서 중량 힉스 공명을 탐지할 수 있는 향후 콜라이더의 탐지 범위를 탐색하기 위해.
• 이벤트 수 계산 기준과 단면적 시뮬레이션을 바탕으로 향후 실험 프로그램을 위한 벤치마크 포인트와 감도 추정치를 제공하기 위해.

제안 방법

• 표준모형의 $\theta_2$ 대칭성을 가진 실수 단일장 확장으로, 진공 기대값을 통한 연속성 파괴를 포함하며, $\sin\alpha$, $m_2$, 및 $\tan\beta = v/v_s$로 매개변수화된다.
• 2HDMC 및 ScannerS 도구를 활용하여 유한성 조건, 양자역학적 단위성, 그리고 결합의 정규성 조건을 통해 이론적 제약 조건을 적용한다.
• LHC 데이터에 대한 실험적 제약 조건은 HiggsBounds 및 HiggsSignals를 사용하고, 어두운 물질의 잔여 밀도 및 직접 탐지 한계는 MicrOMEGAs를 사용한다.
• 14 TeV LHC에서 삼중 힉스 최종 상태에 대한 신호 및 배경 시뮬레이션은 MadGraph5_aMC@NLO 및 HERWIG를 사용하여 수행된다.
• 계산 기준을 통한 콜라이더 감도 평가: 정규 루미너스에서 1000개의 신호 이벤트가 생성될 경우 해당 벤치마크는 도달 가능하다고 간주된다.
• MadGraph5를 사용하여 pp 및 $\mu\mu$ 콜라이더에서 $AA$, $H^+H^-$, 및 VBF 유형 과정의 생성 단면적을 계산하며, 수정된 UFO 모델 파일을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실수 단일장 확장의 표준모형에 대한 현재 실험 제약 조건은 무엇이며, 특히 $H \to h_{125}h_{125}$ 붕괴 모드에 대해 어떻게 제약되는가?
• RQ2 이중보존 최종 상태와 Run 1/Run 2 LHC 탐색 결과는 비활성 이중장 모델의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 향후 콜라이더(HL-LHC, FCC-hh, CLIC, 뮤온 콜라이더)의 중량 힉스 상태에 대한 예상 발견 범위는 비활성 이중장 모델에서 어떻게 되는가?
• RQ4 14 TeV LHC에서 현재 분석 전략을 사용할 경우 삼중 힉스 최종 상태 $pp \to h_1 h_1 h_1 \to 6b$ 는 관측 가능한가?
• RQ5 VBF 유형의 생성 모드는 고에너지 콜라이더에서 스칼라 공명의 발견 잠재력을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 실수 단일장 모델에서 $\tan\beta = 0.1$ 인 경우, 가장 제약력 있는 직접 탐색은 이중보존 최종 상태이며, 특히 ATLAS Run 2 데이터에서 유의미하다.
• $H \to h_{125}h_{125}$ 붕괴 모드는 ATLAS 조합 한계로 제약되며, $m_2 \geq 125$ GeV 영역에서는 모델의 허용 매개변수 공간이 크게 감소한다.
• 비활성 이중장 모델에서 13 TeV LHC에서 $AA$ 및 $H^+H^-$ 쌍 생성이 가장 민감하며, VBF 유형 모드는 발견 범위를 최대 두 배까지 증가시킨다.
• 27 TeV 프로톤-프로톤 콜라이더는 $AA$ 및 $H^+H^-$ 생성에서 10 TeV 뮤온 콜라이더와 유사한 발견 범위를 가지며, 100 TeV FCC-hh는 30 TeV $\mu\mu$ 콜라이저와 대응된다.
• 삼중 힉스 최종 상태 $pp \to h_1 h_1 h_1 \to 6b$ 에서, $m_2 \approx 255-320$ GeV 및 $m_3 \approx 454-504$ GeV 인 벤치마크 포인트는 각각 300 fb$^{-1}$ 및 3000 fb$^{-1}$에서 신뢰도가 2.92 및 15.86로 나타난다.
• $\sigma(pp \to h_1 h_1 h_1)$ 단면적은 32.40 fb에서 51.00 fb 사이이며, 이에 해당하는 $3b\bar{b}$ 최종 상태 단면적은 6.40 fb에서 10.07 fb 사이로, 중간 루미너스로도 탐지 가능하다.