[논문 리뷰] Phenomenology of the dark matter sector in the 2HDM extended with complex scalar singlet

Juhi Dutta, Gudrid Moortgat‐Pick외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 복소 스칼라 싱게틀을 추가한 두 힉스 두중체 모형(2HDMS)을 어두운 물질의 프레임워크로 조사한다. 여기서 싱게틀의 스칼라 및 페시오스칼라 성분이 이중 성분 어두운 물질 후보를 형성한다. 싱게틀은 진공 기대값을 갖지 않기 때문에 힉스 섹터와의 혼합을 피하고, 2HDM 힉스 스펙트럼을 유지한다. 주요 결과로는 2HDMS가 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 만족할 수 있으며, 향후 e+e− 충돌기에서 발견 가능성이 있으며, 특히 √s ≈ 3 TeV에서 2b + /E_T 채널에서의 발견 잠재력이 높다.

ABSTRACT

The two-Higgs-doublet model augmented with a complex scalar singlet (2HDMS) is a well-motivated candidate for Beyond Standard Model (BSM) Physics. We investigate the dark matter phenomenology of the 2HDMS with the complex scalar singlet as the dark matter candidate. We perform a study of the parameter space allowed by existing theoretical and experimental constraints from dark matter, flavour physics and collider searches. Further, we discuss a few benchmark scenarios to test the discovery potential for the 2HDMS at the HL-LHC and at future high-energy $e^+e^-$ colliders.

연구 동기 및 목표

• 유형 II 2HDM의 다음 최소 확장인 복소 스칼라 싱게틀을 포함한 어두운 물질 현상학을 탐색하며, 싱게틀이 진공 기대값을 갖지 않는다는 점을 전제로 한다.
• 이론적, 우주론적, 실험적 제약 조건(잔류 밀도, 직접 탐지, 플레이버 물리학, 충돌기 탐색 포함)을 만족하는 타당한 매개변수 영역을 규명한다.
• 특히 2b + /E_T 최종 상태에 초점을 맞추어, HL-LHC 및 향후 고에너지 e+e− 충돌기에서 모형의 발견 가능성을 평가한다.
• U(1) 대칭 보존 시나리오와 U(1) 위반 케이스를 비교하여 어두운 물질 안정성 및 현상학적 특성의 차이를 부각한다.
• 향후 충돌기 연구를 위해 벤치마크 포인트(BP1–BP3)를 제공하며, e+e− 충돌기에서의 신호 유의도 추정치를 포함한다.

제안 방법

• 복소 스칼라 싱게틀이 진공 기대값을 갖지 않도록 하여, 힉스 두중체와의 혼합을 방지하고 2HDM 힉스 스펙트럼을 유지하는 방식으로 유형 II 2HDM을 확장한다.
• 복소 스칼라 싱게틀은 스칼라 및 페시오스칼라 성분이 U(1) 대칭이 유지될 경우 안정하므로 이중 성분 어두운 물질 후보를 제공한다.
• 이론적 및 실험적 제약 조건은 HiggsBounds, HiggsSignals, micrOMEGAs, maDDM를 사용하여 잔류 밀도, 직접 탐지 단면적, 플레이버 물리학을 평가한다.
• √s ≈ 3 TeV에서 e+e− 충돌기의 2b + /E_T 최종 상태에 대한 신호 유의도를 계산하였으며, 통합 루미너시 5 ab⁻¹를 기반으로 신호 대 배경 분석을 수행하였다.
• 다양한 질량 영역과 분해비를 탐색하기 위해 BP1–BP3의 밴치마크 시나리오를 구성하였으며, BP3는 U(1) 위반 케이스에 초점을 맞추었다.
• 직접 탐지 단면적은 트리 레벨 힉스 교환을 통해 해석적으로 계산하였으며, 유형 II 2HDM의 중성자 및 쿼크 결합을 고려한 핵자성형 요소를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDMS 모형에서 어두운 물질 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 만족하는 타당한 매개변수 영역는 무엇인가?
• RQ2 복소 스칼라 싱게틀이 진공 기대값을 갖지 않음으로써 힉스 섹터 및 어두운 물질 현상학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HL-LHC 및 향후 e+e− 충돌기에서 2HDMS 모형의 발견 가능성은 어떠한가? 특히 2b + /E_T 최종 상태에서의 가능성은?
• RQ4 U(1) 대칭 보존 시나리오와 U(1) 위반 시나리오 간에 어두운 물질 안정성, 비가시 분해비, 충돌기 서명에서의 차이는 무엇인가?
• RQ5 이 모형은 관측된 비정상 현상(예: 95 GeV 초과 또는 (g-2) 비정상 현상)을 설명하거나 수용할 수 있으며, 이는 기존 모형과 비교해 어떻게 다를 수 있는가?

주요 결과

• 복소 스칼라 싱게틀이 이중 성분 어두운 물질 후보로 기능하는 2HDMS 모형은 잔류 밀도 제약 조건을 충족하며, 직접 탐지 제약 조건 내에서도 타당하다.
• U(1) 대칭 보존 시나리오(BP1 및 BP2)에서 √s ≈ 3 TeV인 e+e− 충돌기에서 2b + /E_T 채널의 신호 유의도는 5 ab⁻¹에서 1.36σ를 기록하며, 더 높은 힉스-어두운 물질 분해비를 가질 경우 3.65σ로 향상된다.
• U(1) 위반 케이스(BP3)에서는 무거운 힉스의 비가시 분해비가 최대 3.9%에 이르며, 동일 루미너시에서 약 2.81σ의 신호 유의도를 기록한다.
• 추가적인 경량 힉스가 존재하지 않기 때문에, 이 모형은 유형 II 2HDM에서 관측된 95 GeV 스칼라 초과 영역을 피하며, 이러한 공명을 포함하는 모형과 구별된다.
• 직접 탐지 단면적은 트리 레벨 힉스 교환을 통해 해석적으로 계산되었으며, BP3에 대해 양성자 및 중성자의 스핀-독립 단면적은 각각 2.66×10⁻¹¹ pb 및 2.79×10⁻¹¹ pb이다.
• 벤치마크 포인트 BP3는 833.5 GeV의 무거운 힉스와 428.88 GeV의 어두운 물질 질량을 가지며, 3.9%의 높은 비가시 분해비를 가지므로 향후 e+e− 충돌기의 주요 타겟이 될 수 있다.