[논문 리뷰] Higgs Production in Association with a Dark-Z at Future Electron Positron Colliders

Pierce Giffin, Ian Lewis외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 71인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 향후 전자-양성자 충돌기에서 표준 모형 힉스 보존 생성 이외의 에너지 영역(예: √s = 160 GeV)에서 경량 어둠의 Z 보손(Zd)과 연관된 힉스 보존 생성을 위한 새로운 탐색을 제안한다. 고해상도 검출기들을 활용하여, e⁺e⁻ → hZd 반응이 Zd 질량이 1 GeV 이하일 경우 1–2 ab의 단면적과 δ ∼ 8 × 10⁻³ 수준의 h–Z–Zd 결합에 민감하게 반응함을 보여주며, 현재 LHC 탐색이 접근하지 못하는 경량 Zd 보손의 발견 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

In recent years there have been many proposals for new electron-positron colliders, such as the Circular Electron-Positron Collider, the International Linear Collider, and the Future Circular Collider in electron-positron mode. Much of the motivation for these colliders is precision measurements of the Higgs boson and searches for new electroweak states. Hence, many of these studies are focused on energies above the $h\,Z$ threshold. However, there are proposals to run these colliders at the lower $WW$ threshold and $Z$-pole energies. In this paper, we propose a new search for Higgs physics accessible at lower energies: $e^+e^- ightarrow h\,Z_d$, where $Z_d$ is a new light gauge boson such as a dark photon or dark-$Z$. Such searches can be conducted at the $WW$ threshold, i.e. energies below the $h\,Z$ threshold where exotic Higgs decays can be searched for in earnest. Additionally, due to very good angular and energy resolution at future electron-positron colliders, these searches will be sensitive to $Z_d$ masses below 1 GeV, which is lower than the current direct LHC searches. We will show that at $\sqrt{s}=160$ GeV with 10 ab$^{-1}$, a search for $e^+e^- ightarrow h\,Z_d$ is sensitive to $h-Z-Z_d$ couplings of $\delta\sim 8 imes 10^{-3}$ and cross sections of $\sim 1-2$ ab for $Z_d$ masses below 1 GeV. The results are similar at $\sqrt{s}=240$ GeV with 5 ab$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 향후 전자-양성자 충돌기에서 경량 어둠의 Z 보손(Zd)과의 연관 생성을 통해 힉스 보존의 붕괴 및 결합에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 현재 LHC 탐색이 낮은 질량에서 민감도가 부족하여 접근하지 못하는 경량 Zd 보손(mZd < 1 GeV)의 발견 가능성을 제공하기 위해.
• 표준 힉스 생성 임계값 240 GeV 이하의 에너지에서 h–Z–Zd 결합을 탐색할 수 있는 가능성 입증을 위해.
• 향후 충돌기의 고에너지 및 고각해상도 특성을 활용하여 어둠의 섹터 모델에서 이전에 탐색되지 않은 매개변수 영역에 접근하기 위해.

제안 방법

• 어둠의 Z 보손(Zd)을 붕괴한 U(1)d 대칭에서 유래된 경량 게이지 보손으로 모델링하며, 질량 혼합 또는 운동량 혼합을 통한 힉스 및 표준 모형 Z 보손과의 효과적 결합을 고려한다.
• 효과적 라그랑지안 접근법을 사용하여 h–Z–Zd 상호작용을 기술하며, Z–Zd 질량 혼합에서 유도된 결합 강도 파rameter δ로 기술한다.
• √s = 160 GeV 및 √s = 240 GeV에서 e⁺e⁻ → Z* → hZd 과정을 시뮬레이션하며, Zd가 렙톤으로 붕괴한다고 가정한다(Zd → ℓ⁺ℓ⁻).
• 실제 검출기 수준의 절단 조건과 재구성 기법(예: h 및 Zd의 인variant 질량 재구성)을 적용하여 배경를 억제한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션과 신호 효율 계산을 통해 다양한 Zd 질량 및 결합 강도에 대한 발견 가능성 추정을 수행한다.
• 통계적 유의도 평가를 위해 점근적 공식(예: Feldman–Cousins)을 활용하여 신호에 대한 민감도를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 240 GeV 이하에서 작동하는 향후 전자-양성자 충돌기에서 경량 어둠의 Z 보손(Zd)과 연관된 힉스 보존 생성을 발견할 수 있는가?
• RQ2 Zd 질량이 1 GeV 이하일 경우, 이러한 탐색이 h–Z–Zd 결합에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ3 향후 충돌기가 현재 LHC의 감도 한계인 약 1 GeV 이하의 Zd 질량을 탐색할 수 있는가?
• RQ4 향후 충돌기의 고에너지 및 고각해상도 특성이 LHC에 비해 경량 Zd 보손의 발견 가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 δ ∼ 8 × 10⁻³ 수준의 hZd 생성을 탐색하기 위해 필요한 루미노스티 및 중심질량 에너지는 얼마인가?

주요 결과

• √s = 160 GeV에서 통합 루미노스티 10 ab⁻¹ 조건에서, 탐색은 h–Z–Zd 결합 강도 δ ∼ 8 × 10⁻³에 민감하게 반응한다.
• 동일한 탐색은 Zd 질량이 1 GeV 이하일 경우 1–2 ab의 단면적 민감도를 확보한다.
• 발견 가능성은 현재 LHC 감도 한계인 mZd > 1 GeV를 초월하여 Zd 질량이 1 GeV 이하까지 확장된다.
• √s = 240 GeV에서 5 ab⁻¹의 루미노스티 조건에서의 민감도는 √s = 160 GeV에서 10 ab⁻¹ 조건과 유사하여, 다양한 에너지 포인트에서의 안정적인 성능을 보여준다.
• 이 연구는 WW 임계값 주행(160 GeV)이 표준 힉스 생성 방식으로는 접근할 수 없는 이국적인 힉스 붕괴 및 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있음을 입증한다.
• 향후 충돌기의 고해상도 능력 덕분에 h 및 Zd 최종 상태의 청소화된 재구성이 가능하여 신호 대 배경 분리 능력이 크게 향상된다.