[论文解读] A short overview on low mass scalars at future lepton colliders -- Snowmass White Paper

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本白皮书综述了未来 $e^+e^-$ 对撞机探测低质量标量粒子（≤125 GeV）的潜力，重点关注单重态扩展、2HDM 和 N2HDM 等模型。研究表明，中心系能量为 240–250 GeV 的未来希格斯工厂可通过 $Z h$ 和 $\nu\bar{\nu} h$ 等过程探测轻标量粒子，当结合高亮度运行时，对 $m_h \lesssim 70$ GeV 的情形，灵敏度可达高达 $10^6$ 个事例，尤其在 160 GeV 能量下表现显著。

ABSTRACT

In this whitepaper, I give a short summary on possible channels of low-mass scenarios and their discovery potential at future $e^+e^-$ colliders. This is a summary of talks I recently gave at the CEPC workshop, FCC week and ECFA future collider workshop.

研究动机与目标

• 评估未来 $e^+e^-$ 对撞机（特别是中心系能量接近 240–250 GeV 的希格斯工厂）对轻标量粒子（≤125 GeV）的发现潜力。
• 总结允许存在额外低质量标量态的模型的理论研究，包括单重态扩展、双 Higgs 双重态模型（2HDMs）和 N2HDMs。
• 强调未来对撞机对 $Z h$、$\nu\bar{\nu} h$ 和 $h_1 h_2$ 最终态的灵敏度，尤其在 160 GeV 和 350 GeV 能量下。
• 鼓励进一步开展关于轻标量粒子搜索的详细研究，特别是在电弱相变和模型依赖信号强度的背景下。

提出的方法

• 本研究汇编并总结了近期在研讨会和会议（包括 CEPC、FCC 和 ECFA 会议）中发表的理论分析。
• 使用 HiggsBounds-5.10.2 和 HiggsSignals-2.6.2 对模型参数进行约束，应用实验、理论和电弱精确测量约束。
• 利用 ScannerS 等工具扫描参数空间，并在混合角与质量平面中可视化结果，适用于如两实标量单重态模型（TRSM）等模型。
• 基于壳上和壳下贡献，推导出在 160 GeV、240 GeV 和 350 GeV 能量下 $Z h$、$\nu\bar{\nu} h$ 和 $h_1 h_2$ 产生过程的截面预测。
• 在假定 1–2 ab⁻¹ 亮度的前提下，计算 $c\bar{c}b\bar{b}$、$b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-$ 和 $W^+W^-$ 最终态的信号显著性。
• 分析重新诠释了现有的 LEP 和 LHC 约束，特别是来自 $pp \to h_{125} \to ss \to XXYY$ 过程的约束，以限制混合角和分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型标量 sector 的单重态和双重态扩展中，未来 $e^+e^-$ 对撞机对质量低于 125 GeV 的低质量标量态的探测灵敏度如何？
• RQ2 在 160 GeV 和 240 GeV 能量下，$Z h$ 和 $\nu\bar{\nu} h$ 产生模式对轻标量粒子发现潜力的贡献如何？
• RQ3 在 350 GeV 中心系能量下，2HDM 和 N2HDM 模型中轻标量粒子的可实现事例率是多少？
• RQ4 现有的 LEP 和 LHC 在 $h_{125} \to ss$ 衰变道中观测到的过剩信号能否由含轻标量的模型解释？未来对撞机中这些模型的预测事例率如何？
• RQ5 在 240 GeV 能量下，c 介子识别效率和末态动量学在 $c\bar{c}b\bar{b}$ 最终态中探测轻标量粒子时起什么作用？

主要发现

• 在 240 GeV 能量下，若亮度为 1 ab⁻¹，3HDM 模型中 $c\bar{c}b\bar{b}$ 最终态对质量低于 70 GeV 的轻标量粒子的显著性可达 5σ，具体取决于 c 介子识别效率。
• 在 160 GeV 能量下，假设一般抑制因子约为 0.1 且采用 FCC-ee 亮度，对 $m_h \lesssim 70$ GeV 的情形，预计可产生高达 $10^6$ 个 $Z h$ 事例，且非 $Z h$ 过程对 $\nu\bar{\nu} h$ 无贡献。
• 在包含两个轻标量的 TRSM 模型中，$m_{h_1}, m_{h_2} \lesssim 125$ GeV 的参数空间是可行的，允许区域内的混合角 $\sin\alpha$ 范围为 0.05 至 0.25。
• 在 2HDM 和 N2HDM 模型中，存在一个或多个额外标量质量低于 125 GeV 的区域，其分支比和耦合常数与当前 LHC 和 LEP 约束一致。
• 在 350 GeV 能量下，Higgs 辐射过程和 $\nu\bar{\nu} h$ 最终态（其中 $h \to b\bar{b}$）在各种 2HDM 变体中可产生高事例率，表明具有强大的发现潜力。
• 在 250 GeV 能量下，2 ab⁻¹ 亮度条件下，2HDM 和 N2HDM 模型中 $h \to \tau^+\tau^-$、$gg$ 和 $W^+W^-$ 衰变的预测事例率显示出显著的信号强度，尤其在 $\tan\beta$ 范围为 0.05–0.25 时更为明显。