[論文レビュー] Dark Matter Phenomenology in 2HDMS in light of the 95 GeV excess

Juhi Dutta, Jayita Lahiri+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、95 GeVのγγおよびb¯b最終状態における過剰放射を同時に説明し、妥当な準スカラー暗黒物質（DM）候補を提供する複素スカラー単粒子を有するタイプII二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDMS）を提案する。このモデルは、実数の単粒子真空期待値が2HDMヒッグス系と混合し、95 GeVに位置する軽いCP偶性スカラー（h3）と安定な準スカラーDM（AS）を生成する。ベンチマーク点は理論的および実験的制約を満たしており、特にミューオン衝突機における将来の検出可能性が非常に高い。

ABSTRACT

The Two Higgs Doublet model extended with a complex scalar singlet (2HDMS) is a well-motivated Beyond Standard Model candidate addressing several open problems of nature. In this work, we focus on the dark matter (DM) phenomenology of the complex scalar singlet where the real part of the complex scalar obtains a vacuum expectation value. The model is characterized by an enlarged Higgs spectrum comprising six physical Higgs bosons and a pseudoscalar DM candidate. We address the impact of accommodating the 95 GeV excess on the 2HDMS parameter space and DM observables after including all theoretical and experimental constraints. Finally, we look into the prospects of this scenario at HL-LHC and future lepton colliders for a representative benchmark.

研究の動機と目的

• CMSおよびLEPで観測されたγγおよびb¯b最終状態における95 GeVの過剰放射を同時に説明する2HDMSモデルの探求。
• リリック密度、直接検出および間接検出の制約と整合する妥当なDM候補の同定。
• 理論的（下界からの有界性、ユニタリティ）および実験的（LHC、LEP、精度測定量）制約下でのパラメータ空間のスキャン。
• HL-LHCおよび将来のレプトン衝突機におけるベンチマーク点の発見可能性の評価。特にモノジェット、モノ光子、モノZの最終状態に注目。

提案手法

• モデルはタイプII 2HDMに複素スカラー単粒子を追加し、実部が真空期待値（vev）を獲得することで、単粒子と2HDMヒッグス系との混合を生じる。
• ヒッグス系は物理的状態として6つを含む：CP偶性スカラー3つ（h1, h2, h3）、CP奇性の準スカラー1つ（A）、電荷付きヒッグス2つ（H±）、および準スカラーDM候補（AS）。
• 理論的制約として、下界からの有界性（bfb）およびトレースレベルユニタリティが導出され、パラメータ空間の制限に適用される。
• 実験的制約は、直接検出限界、LHCのモノジェットおよびモノZ探索、LEPのb¯bデータ、精度電弱測定量を用いて課される。
• すべての制約を満たし、観測された95 GeV信号強度（μ ≈ 1）に一致する代表的ベンチマーク点が選定される。
• HL-LHC（グルーオン融合、ベクトルボソン融合、モノジェット、2フォワードジェット + /E_T）および将来のレプトン衝突機（ILC、ミューオン衝突機）におけるコライダー素粒子物理学的性質が評価され、光子およびジェットカット（Eγ > 10 GeV、θ > 7°）を適用したモノ光子およびモノZ最終状態に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMSモデルは、γγおよびb¯b最終状態における95 GeVの過剰放射を同時に説明しつつ、妥当なDM候補を提供できるか？
• RQ2 理論的および実験的制約の中で、2HDMSモデルのパラメータ空間を最も厳しく制限するのはどれか？
• RQ3 有効DM-ヒッグスポータルカップリング（δ′25）、tan β、およびDM質量項（m′2S）は、直接検出およびリリック密度制約にどのように影響を与えるか？
• RQ4 HL-LHCおよび将来のレプトン衝突機におけるベンチマーク点の検出可能性はいかほどか。特にモノジェットおよびモノ光子/Z最終状態において。
• RQ5 e+e−およびμ+μ−衝突機における生成断面積はどのように比較されるか。ビームの偏光は信号感度を向上させる役割を果たすか？

主な発見

• 下界からの有界性（bfb）条件が、2HDMSパラメータ空間に対して最も厳しい理論的制約をもたらす。
• 直接検出実験により、有効DM-ヒッグスポータルカップリングδ′25、tan β、DM質量項m′2Sがきびしく制限される。
• ベンチマーク点は、γγおよびb¯b最終状態における観測された95 GeV信号強度（μ ≈ 1）をうまくフィットし、すべての理論的および実験的制約を満たしている。
• 非標準模型スカラーの高い質量のため、HL-LHCにおけるモノジェットおよび2フォワードジェット + /E_Tのシグネチャは、ベンチマークに対しては有望ではない。
• ミューオン衝突機は、DM候補を含むモノ光子およびモノZ最終状態において、e+e−衝突機と比較して最大2〜5桁大きな生成断面積を示す。
• ZASASおよびZASASγ過程は、h3共鳴状態で顕著に増幅され、ミューオン衝突機がこれらのシグネチャを観測する最良の機会を提供する。