[논문 리뷰] Inert Doublet Model signatures at future $e^+e^-$ colliders

Dorota Sokolowska, J. Kalinowski외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 현재의 천체물리적 및 입자충돌기 제약 조건을 충족하는 관측 가능한 관점에서 인ert 이중체 모형(IDM)의 벤치마크 시나리오를 제안하며, 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 $e^+e^- \to H^+H^-$ 및 $e^+e^- \to AH$ 생성을 통해 렙톤성 및 준레프톤성 붕괴를 거친 후의 탐지 가능성에 대해 평가한다. 분석 결과 준레프톤성 최종 상태가 발견 가능성의 범위를 크게 향상시키며, 3 TeV 중심질량 에너지와 5 ab$^{-1}$ 루미노사티에서 1 TeV 이하의 질량을 가진 채널 스칼라에 대해 $5\sigma$의 뜻깊은 결과를 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The Inert Doublet Model (IDM) is one of the simplest extensions of the Standard Model (SM), providing a dark matter candidate. It is a two Higgs doublet model with a discrete $Z_2$ symmetry, that prevents the scalars of the second doublet (inert scalars) from coupling to the SM fermions and makes the lightest of them stable. We study a large group of IDM scenarios, which are consistent with current constraints on direct detection, including the most recent bounds from the XENON1T experiment and relic density of dark matter, as well as with all collider and low-energy limits. We propose a set of benchmark points with different kinematic features, that promise detectable signals at future $e^+e^-$ colliders. Two inert scalar pair-production processes are considered, $e^+e^- o H^+H^-$ and $e^+e^- o AH$, followed by decays of $H^\pm$ and $A$ into final states which include the lightest and stable neutral scalar dark matter candidate $H$. Significance of the expected observations is studied for different benchmark models and different running scenarios, for centre-of-mass energies up to 3 TeV. Numerical results are presented for the signal signatures with two muons or an electron and a muon in the final state. For high mass scenarios, when the significance is too low for the leptonic signatures, the semi-leptonic signature can be used as the discovery channel.

연구 동기 및 목표

• 모든 현재 실험 제약 조건, 즉 XENON1T 직접 탐지, 잔류 밀도, LHC 제약 조건을 만족하는 관측 가능한 IDM 시나리오를 규명하는 것.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서의 탐지 가능성 최대화를 위한 다양한 운동적 특성을 지닌 벤치마크 포인트를 제안하는 것.
• ILC 및 CLIC에서 다양한 중심질량 에너지에서 렙톤성 및 준레프톤성 최종 상태를 통해 IDM 스칼라의 발견 가능성을 평가하는 것.
• 고질량 시나리오에서 순수 렙톤성 신호에 비해 준레프톤성 채널의 감도 향상 정도를 평가하는 것.

제안 방법

• 이론적 및 실험적 제약 조건을 충족하는 이전 연구에서 유래한 일련의 벤치마크 포인트를 사용한다. 이는 정규화 이론, 진공 안정성, 전자기력 정밀도 시험 등을 포함한다.
• 두 가지 생산 과정을 분석한다: $e^+e^- \to H^+H^-$ 및 $e^+e^- \to AH$이며, 이후 붕괴는 $H^\pm \to W^{\pm}H$ 및 $A \to Z^{(\star)}H$로, 여기서 $H$는 안정된 어둠료 물질 후보이다.
• 최종 상태에서 두 개의 뮤온($\mu^+\mu^-$), 전자-뮤온 쌍($e^\pm\mu^\mp$), 그리고 $l^\pm\nu$ 및 잔재를 포함한 준레프톤성 모드를 연구한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 신호 및 배경 사건을 추정하며, 250, 380, 500 GeV에서 1 ab$^{-1}$, 1.5 TeV에서 2.5 ab$^{-1}$, 3 TeV에서 5 ab$^{-1}$에서의 의미 있는 결과를 계산한다.
• 신호 대 배경 비율 향상을 위해 운동학적 절단과 미소된 횡방향 에너지($\cancel{E}_T$) 재구성을 포함한다.
• 감도는 의미 있는 지표인 $S/\sqrt{B}$로 정량화하며, 여기서 $S$와 $B$는 각각 신호 및 배경 사건 수를 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 TeV 이하의 어둠료 물질 질량을 가진 관측 가능한 IDM 시나리오는 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 발견될 수 있는가?
• RQ2 ILC 및 CLIC에서 중심질량 에너지와 루미노사티에 따라 IDM 스칼라의 발견 가능성은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 고질량 IDM 신호에서 준레프톤성 최종 상태의 상대적 감도 향상 정도는 순수 렙톤성 채널에 비해 어느 정도인가?
• RQ4 예를 들어 $H^\pm \to W^\pm A \to W^\pm ZH$와 같은 계단식 붕괴가 렙톤성 채널에서 신호의 의미 있는 정도를 얼마나 감소시키는가?

주요 결과

• 250 GeV, 380 GeV, 500 GeV 중심질량 에너지에서 중성 스칼라 쌍 생성의 경우 각각 $m_A + m_H \approx 220$ GeV, 300 GeV, 330 GeV까지의 발견 가능성이 확보된다.
• 채널 스칼라 쌍 생성의 경우 250 GeV, 380 GeV, 500 GeV에서 각각 $m_{H^\pm} \approx 110$ GeV, 160 GeV, 200 GeV까지의 발견 가능성이 확보된다.
• 1.5 TeV에서 2.5 ab$^{-1}$ 조건에서는 $\mu^+\mu^-$ 채널이 $m_A + m_H < 450$ GeV까지 탐지 가능하며, $e^\pm\mu^\mp$ 채널은 $m_{H^\pm} < 500$ GeV까지 탐지 가능하다.
• 준레프톤성 채널 $H^+H^- \to HH l^\pm \nu qq$는 더 큰 붕괴 분율과 개선된 신호 대 배경 비율 덕분에 순수 렙톤성 채널 대비 3~6배 높은 의미 있는 지표를 제공한다.
• 3 TeV에서 5 ab$^{-1}$ 조건에서는 $m_{H^\pm} \leq 1$ TeV인 대부분의 벤치마크 포인트가 준레프톤성 채널에서 $5\sigma$의 의미 있는 결과를 달성한다.
• 3 TeV에서 렙톤성 채널에서는 발견 가능성 향상이 눈에 띄지 않으며, 이는 고질량 영역 탐색에 있어 준레프톤성 모드가 필수적임을 시사한다.