[논문 리뷰] New Physics with missing energy at future lepton colliders -- Snowmass White Paper

J. Kalinowski, Tania Robens외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 향후 렙톤 충돌기에서 미량 에너지가 있는 새로운 물리 현상의 발견 잠재력을 조사하며, 주로 관성 이중층 모형(Inert Doublet Model, IDM)과 추가 편성자 라디칼을 가진 두 힉스 이중층 모형(THDMa)에 초점을 맞춘다. 이론적 및 실험적 제약 조건을 통합한 파rameter 스캔을 수행하여 3 TeV 중심질량 에너지의 $e^+e^-$ 충돌기에서의 생성 단면적을 예측하고, $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 신호율이 높은 벤치마크 포인트를 규명함으로써 암흑물질 탐지에 유망한 서명을 강조한다.

ABSTRACT

Two models that extend the particle content of the SM and provide dark matter candidates, namely the Inert Doublet Model and the Two-Higgs Doublet model with additional pseudoscalar, are confronted with current experimental and theoretical constraints and predictions for production cross sections for various standard pair-production modes within these models at future lepton colliders are presented.

연구 동기 및 목표

• 현재의 이론적 및 실험적 제약 조건 하에서 관성 이중층 모형(IDM)과 추가 편성자 라디칼을 가진 두 힉스 이중층 모형(THDMa)이 암흑물질 후보로 가능한지 평가하기 위해.
• 3 TeV 중심질량 에너지를 가진 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 쌍으로 생성된 힉스 유사 상태(예: $HA$, $Ha$)의 생성 단면적을 예측하기 위해.
• 미량 에너지 서명에 대한 높은 비율을 보이는 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 최종 상태를 가진 벤치마크 포인트를 규명하기 위해.
• 전자약력 정밀도, B-물리, 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건 간의 상호작용이 두 모형의 타당한 매개변수 공간에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이 모형들에서의 미량 에너지 서명에 대한 향후 전용 충돌기 분석, 배경 시뮬레이션 및 컷 최적화를 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 진공 안정성, 정규화 이론의 단위성, 결합 상수의 양성, 스칼라 포텐셜의 최소화 등의 이론적 요구 조건을 조합하여 IDM 및 THDMa 모형을 제약 조건화하기 위해.
• LHC 힉스 측정치, LEP 및 테바트론 탐색, 전자약력 정밀도 관측치($S$, $T$, $U$), $B \to X_s\gamma$, $B_s \to \mu^+\mu^-$, $\Delta M_s$, 그리고 플랑크 및 XENON1T로부터의 암흑물질 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 적용하기 위해.
• HiggsBounds, HiggsSignals, 2HDMC, SPheno, micrOMEGAs, MadDM 등의 공개 도구를 사용하여 글로벌 피팅 및 현상학적 분석을 수행하기 위해.
• Madgraph5를 사용하여 $\sqrt{s} = 3$ TeV에서 $t\bar{t}t\bar{t}$ 및 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 최종 상태에 대해 요약된 접근 방식을 통해 생성 단면적을 계산하기 위해.
• IDM의 $e^+e^-$ 반응에서 정확한 게이지 보손 결합을 확보하기 위해 수정된 UFO 모델 파일을 구현하기 위해.
• 모든 제약 조건을 충족시키면서도 미량 에너지 서명의 신호율을 극대화하는 벤치마크 포인트를 도출하기 위해 제약 조건을 적용한 전체 매개변수 스캔을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재의 이론적 및 실험적 제약 조건을 적용한 후 관성 이중층 모형(IDM)과 THDMa 모형의 타당한 매개변수 공간은 어떻게 되는가?
• RQ2 3 TeV $e^+e^-$ 충돌기에서 미량 에너지를 포함하는 $e^+e^-$ 최종 상태 중 특히 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$는 어느 정도의 단면적을 가지며 유의미한 확률로 생성될 수 있는가?
• RQ3 B-물리 관측치($B \to X_s\gamma$, $B_s \to \mu^+\mu^-$) 및 전자약력 정밀도 데이터는 THDMa 모형의 허용 가능한 질량 및 혼합 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 모든 제약 조건을 충족시키는 조건 하에서 IDM 및 THDMa 모형에서 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$의 최대 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ5 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 신호가 지배적이고 높은 단면적을 가지는 벤치마크 포인트를 식별할 수 있는가? 이는 전용 충돌기 분석에 적합할 것이다.

주요 결과

• IDM 및 THDMa 모형은 전자약력 및 진공 안정성 제약 조건으로 인해 매우 제약된 매개변수 공간 내에서만 암흑물질 후보로 가능하다. 일반적으로 스칼라 질량은 이에 따라 거의 일치한다.
• THDMa 모형에서 $m_{H^\pm} \lesssim 800$ GeV 및 $\tan\beta \lesssim 1$는 B-물리 관측치에 의해 배제되며, 표준 2HDM와 유사한 제약 조건을 가진다.
• THDMa 모형에서 암흑물질의 잔류 밀도는 $m_a - 2m_\chi \lesssim 0$일 때 특징적인 공진 피크를 보이며, 이는 $a \to \chi\bar{\chi}$를 통한 효율적인 붕괴를 의미한다. 이 경우 $\Omega h^2 \lesssim 0.12$의 값이 요구된다.
• 3 TeV $e^+e^-$ 충돌기에서 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 최종 상태는 IDM 및 THDMa에서 뚜렷한 단면적을 가지며, 이 중 일부 포인트에서는 $t\bar{t}t\bar{t}$보다 지배적인 비율을 차지한다.
• 벤치마크 포인트로 $m_H = 643$ GeV, $m_A = 907$ GeV, $m_{H^\pm} = 814$ GeV, $m_a = 653$ GeV, $m_\chi = 277$ GeV, $\lambda_{P_2} = 2.98$를 규명하였으며, 이는 높은 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 비율과 모든 너비 대 질량 비율이 $\lesssim 6\%$ 이하임을 보였다.
• HA 생성의 분해비율을 분석한 결과, 총 질량에 따라 최종 상태인 $t\bar{t}$, $b\bar{b}$, $\tau\bar{\tau}$ 등이 지배적이며, 질량이 높아질수록 $\not{E}_\perp}$ 최종 상태의 기여가 두드러진다.