[논문 리뷰] Higgs-boson visible and invisible constraints on hidden sectors

Thomas Biekötter, Mathias Pierre|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 힉스 보손 생산 및 붕괴 비율 측정치를 바탕으로 χ²-피팅을 수행하여, 결합 수정 계수와 비가시 브랑칭 비율 BRinv에 대한 배제 한계를 도출함으로써 은신 세그먼트에 대한 제약 조건을 조사한다. 힉스 보손 h125를 이용한 분석 결과, 직접적인 비가시 붕괴 탐색보다 획득된 획득단면적 측정치로부터 유도된 간접 제약 조건이 더 강력한 경우가 많으며, 비가시 붕괴는 간접 제약 조건에 의해 배제된 매개변수 공간을 복구시킬 수도 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate the impact of interactions between hidden sectors and the discovered Higgs boson $h_{125}$, allowing for additional invisible decay channels of $h_{125}$. We perform $\chi^2$-fits to the measurements of the Higgs-boson cross sections as a function of the invisible branching ratio and different combinations of coupling modifiers, where the latter quantify modifications of the couplings of $h_{125}$ compared to the predictions of the Standard Model. We present generic results in terms of exclusion limits on the coupling modifiers and the invisible branching ratio of $h_{125}$. Additionally, we apply our results to a variety of concrete model realizations containing a hidden sector: dark matter within Higgs- and singlet-portal scenarios, models featuring (pseudo) Nambu-Goldstone bosons and two Higgs doublet extensions. One of the main conclusions of our work is that in a wide class of models the indirect constraints resulting from the measurements of the cross sections of $h_{125}$ provide substantially stronger constraints on the invisible Higgs-boson branching ratio compared to the direct limits obtained from searches for the invisible decay of $h_{125}$. However, we demonstrate that the presence of an invisible decay mode of $h_{125}$ can also open up parameter space regions which otherwise would be excluded as a result of the indirect constraints. As a byproduct of our analysis, we show that in light of the new results from the LZ collaboration a fermionic DM candidate within the simplest Higgs-portal scenario is completely ruled out.

연구 동기 및 목표

• LHC 데이터를 활용하여 비가시 힉스 붕괴가 은신 세그먼트에 미치는 영향을 평가하기.
• 히iggs 신호 강도 측정치로부터의 간접 제약 조건과 비가시 붕괴 탐색으로부터의 직접 제약 조건을 비교하기.
• 최신 힉스 데이터를 바탕으로 힉스 포털 및 싱เก트 포털 다크 매터, (페시) 나무브 골드스톤 보손, 이중 힉스 두중체 모델 등의 다양한 은신 세그먼트 모델의 타당성을 평가하기.
• 비가시 붕괴 모드의 존재가 간접 제약 조건에 의해 배제된 영역을 복구시킬 수 있는지 확인하기.

제안 방법

• LHC 힉스 신호 강도 측정치에 대한 전반적인 χ²-피팅을 수행하며, 결합 수정 계수와 BRinv를 변화시킴.
• 측정된 힉스 생산 및 붕괴 비율(예: ggF, VBF, VH, ttH, bb̄, ττ, γγ 등)을 제약 조건으로 사용.
• 일반화된 및 비일반화된 결합 수정이 있는 모델과 비가시 브랑칭 비율이 비영인 모델에 피팅을 적용.
• 모델에 종속되지 않는 방식으로 결합 수정 계수와 BRinv에 대한 배제 한계를 유도.
• 특정 은신 세그먼트 모델에 결과를 적용: 힉스 포털 다크 매터, 싱게트 포털 다크 매터, (P)NGBs, 다양한 요다 타입을 가진 2HDM.
• 최신 LZ 직접 탐측 한계를 통합하여 페르미온성 다크 매터 후보의 타당성을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비가시 붕괴 탐색에 비해 간접적인 힉스 신호 강도 측정치는 비가시 브랑칭 비율 BRinv에 대해 얼마나 강력한 제약 조건을 제공하는가?
• RQ2 비가시 힉스 붕괴 모드의 존재가 간접 제약 조건에 의해 배제된 매개변수 영역을 복구시킬 수 있는가?
• RQ3 최신 LZ 직접 탐측 한계는 가장 단순한 힉스 포털 모델에서 페르미온성 다크 매터에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 확장된 힉스 세그먼트를 가진 모델, 예를 들어 (P)NGBs에서 혼합 각도와 BRinv의 제약 조건은 어떻게 상호작용하는가?
• RQ5 특히 타입 I, II, III, IV에서 BRinv가 비영일 경우 2HDM 매개변수 공간의 어떤 영역이 생존 가능한가?

주요 결과

• BRinv에 대해 간접 제약 조건은 비가시 붕괴 탐색으로부터의 직접 한계보다 훨씬 강력하다.
• 넓은 범위의 모델에서 간접 제약 조건이 지배적이며, 직접 탐색으로는 허용되는 영역을 간접 제약 조건이 배제할 수 있다.
• 비가시 붕괴 모드의 존재는 간접 제약 조건에 의해 배제된 매개변수 영역을 복구시킬 수 있으며, 특히 비일반화된 결합 수정이 있는 모델에서 그러한 효과가 두드러진다.
• 가장 단순한 힉스 포털 페르미온성 다크 매터 모델에서 최신 LZ 직접 탐측 한계는 표준 가정 하에 정확한 잔류 밀도에 해당하는 벤치마크 점을 배제한다.
• 타입 II 및 IV 2HDM에서 BRinv = 10%일 경우에도 작은 양의 cos(α−β)를 가진 좁은 생존 영역이 남아 있으며, BRinv > 2%일 경우 잘못된 부호의 요다 약화 영역이 생존 가능해진다.
• 혼합 각도와 BRinv에 대해 상호의존성을 고려하지 않은 채 독립적으로 제약 조건을 적용할 경우, 전반적인 피팅을 통해 두 관측치를 함께 고려함으로써 허용된 매개변수 영역이 과대평가됨을 보여준다.