[논문 리뷰] Probing the dark sector via searches for invisible decays of the Higgs boson at the ILC

Yuji Katō|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기(ILC)와 국제 대형 탐지기(ILD)를 이용해 힉스 보손의 투명한 붕괴를 통해 암흑물질을 탐색하는 데 대해 평가한다. √s = 250 GeV 및 500 GeV에서의 전체 탐지기 시뮬레이션을 사용하여, 힉스 보손의 투명한 붕괴 분포비에 대해 95% 신뢰수준에서 상한값 0.23%를 도출하였으며, 이는 HL-LHC의 전망보다 10배 우수하며, 저질량 암흑물질 탐색에서 ILC의 뛰어난 감도를 입증한다.

ABSTRACT

Although the existence of Dark Matter (DM) has been suggested by various astrophysical observations, it has not yet been discovered today. We can assume a scenario in which the particles that account for the DM can interact with the Standard Model particles only through their couplings with the Higgs sector, the so-called Higgs-portal model. This model can be investigated by collider experiment using the invisible decay of Higgs boson. In this study, we evaluate the search ability of International Linear Collider (ILC) for invisible decay of the Higgs using International Large Detector (ILD) full detector simulation. We estimate 95% C.L. upper limit (UL) on the branching ratio of invisible Higgs decays and compare them between two center-of-mass energy conditions: $\\sqrt{s} = 250$ GeV and 500 GeV. In addition, we describe the complementarity of lepton collider experiment to the direct detection experiment about DM search ability.

연구 동기 및 목표

• 국제 선형 충돌기(ILC)와 ILD 탐지기를 이용한 힉스 보손의 투명한 붕괴에 대한 감도 평가.
• ILC가 √s = 250 GeV 및 500 GeV에서 투명한 힉스 붕괴를 탐지할 수 있는 발견 잠재력 비교.
• ILC와 같은 렙톤 충돌기 실험이 직접 탐지 실험과 함께 암흑물질을 탐색하는 데 어떻게 상호보완적인지 평가.
• 투명한 힉스 붕괴 분포비를 통해 힉스 포털 암흑물질 모델을 제약하는 데서 ILC의 탐색 범위를 정량화.

제안 방법

• √s = 250 GeV 및 500 GeV에서 Mokka/DD4Hep 및 Geant4 기반의 ILD 탐지기 모델을 사용한 전체 탐지기 시뮬레이션.
• Marlin 프레임워크 내에서 PandoraPFA 알고리즘을 사용한 이벤트 재구성으로 고해상도의 입자 및 제트 재구성.
• 다변량 고립 태깅(MVA)을 렙톤에 적용하고, 입자 흐름 물체(PFOs), 트랙 다중도 및 제트 운동량에 대한 선택 기준 설정.
• e+e− → ZH에서 H → 투명하고 Z → q̄q일 때, 빛의 결손 에너지를 통해 힉스 보손을 식별하기 위해 반동 질량 재구성.
• 반동 질량 밴드 간의 제곱근 평균 제곱합을 통한 유의성 추정 후, 10% 분포비 신호의 유의성에 기반해 95% C.L. 상한값 계산.
• 신호 및 배경 시뮬레이션에 비드스트랄링, 초기 상태 복사 및 γγ 배경을 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILC가 √s = 250 GeV 및 500 GeV에서 ILD 탐지기를 사용하여 투명한 힉스 붕괴에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ2 ILC의 투명한 힉스 붕괴 탐지 성능은 HL-LHC의 전망과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 비드스트랄링과 Z → q̄q 대비 Z → l̄l 붕괴 모드가 투명한 힉스 붕괴에 대한 감도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 저질량 암흑물질에 대해 ILC의 암흑물질 탐색 능력은 직접 탐지 실험과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 ILC는 투명한 힉스 붕괴 분포비를 통해 힉스 포털 모델을 어느 정도 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• √s = 250 GeV에서 투명한 힉스 붕괴의 95% C.L. 상한값은 0.23%이며, HL-LHC의 전망인 1.9%보다 뚜렷이 우수하다.
• √s = 250 GeV에서의 감도는 약 10배 우수하며, 이는 주로 양성자성 Z → q̄q 채널이 감도에 지배적으로 기여하기 때문이다.
• 두 비드스트랄링 설정을 조합할 경우 √s = 500 GeV에서 상한값은 0.78%로 향상되지만, 이벤트 수가 감소함에 따라 250 GeV에서의 감도보다 낮아진다.
• ILC의 청결한 환경과 반동 질량 기법 덕분에 결손 에너지의 고정밀 측정이 가능하여, 투명한 힉스 붕괴 탐색에 이상적이다.
• ILC와 같은 충돌기 실험은 직접 탐지 실험과 상호보완적이며, 저질량 암흑물질(약 ~10 GeV 이하)에 대해 뛰어난 감도를 보인다.
• ILC의 암흑물질 탐색 능력은 다른 렙톤 충돌기 프로젝트와 유사하여, 힉스 포털 모델을 탐색하는 데서 독특한 역할을 한다.