[論文レビュー] Electroweak baryogenesis via bottom transport: complementarity between LHC and future lepton collider probes

Tanmoy Modak, Eibun Senaha|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、一般二ヒッグスダブルレットモデル（g2HDM）における複素数のボトムヤクアワ係数（Im(ρbb) ≳ 0.058）によって駆動される電弱重ね合わせ生成機構を調査し、LHCおよび将来のレプトン衝突機における補完的プローブを提案する。LHCでは、300 GeV ≲ mA ≲ 450 GeV の範囲で、bg → bA → bZh プロセスを通じて名目的な Im(ρbb) を探査可能であることが示された。一方、1 TeV の国際線形衝突機（ILC）で O(1) ab⁻¹ の光度を持つ場合、e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b および 6b 終状態を通じて、特に mA > 2mt の領域で LHC の感度が低下する領域においても、優れた感度が得られ、ILC はこの領域で理想的な発見可能性を示す。

ABSTRACT

We study the complementarity between the Large Hadron Collider (LHC) and future lepton colliders in probing electroweak baryogenesis induced by an additional bottom Yukawa coupling $ ho_{bb}$. The context is general two Higgs doublet model (g2HDM) where such additional bottom Yukawa coupling can account for the observed baryon asymmetry of the Universe if $\mbox{Im}( ho_{bb}) \gtrsim 0.058$. We find that LHC would probe the nominal $\mbox{Im}( ho_{bb})$ required for baryogenesis to some extent via $bg o bA o bZh$ process if $300~\mbox{GeV}\lesssim m_A \lesssim 450$ GeV, where $A$ is the CP-odd scalar in g2HDM. We show that future electron positron collider such as International Linear Collider with $500$ GeV and 1 TeV collision energies may offer unique probe for the nominal $\mbox{Im}( ho_{bb})$ via $e^+ e^- o Z^* o A H$ process followed by $A,H o b \bar b$ decays in four $b$-jets signature. For complementarity we also study the resonant diHiggs productions, which may give an insight into strong first-order electroweak phase transition, via $e^+ e^- o Z^* o A H o A h h$ process in six $b$-jets signature. We find that 1 TeV collision energy with $\mathcal{O}(1)~ ext{ab}^{-1}$ integrated luminosity could offer an ideal environment for the discovery.

研究の動機と目的

• 一般二ヒッグスダブルレットモデル（g2HDM）における複素数のボトムヤクアワ係数（Im(ρbb) ≳ 0.058）によって駆動される電弱重ね合わせ生成の発見可能性を調査すること。
• トップヤクアワ係数が無視できる場合に、LHC が bg → bA → bZh プロセスを通じて名目的な Im(ρbb) を探査する感度を評価すること。
• 将来のレプトン衝突機、特に国際線形衝突機（ILC）が e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b および 6b 終状態を通じて示す独自の発見可能性を評価すること。
• 特に mA > 2mt でトップヤクアワ係数が小さい領域において、LHC と ILC が同じ重ね合わせ生成メカニズムをどのように補完的に探査できるかを検討すること。

提案手法

• LHC における bg → bA → bZh プロセスを分析し、3つのbジェットとレプトン対を含む終状態に注目し、部分子レベルの断面積計算と検出器シミュレーションの仮定を用いる。
• 将来の ILC でのエネルギー（500 GeV および 1 TeV）における e⁺e⁻ → Z* → AH プロセスを評価し、その後に A/H → b̄b が生じ、4bジェット終状態が得られることを想定する。
• e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh による共鳴的二ヒッグス生成を研究し、6つのbジェット終状態が得られることを想定し、強い一次的電弱相転移を探査する。
• 電弱精度観測量、ヒッグス信号強度、電子電気電気双極子モーメント（EDM）の制約を理論的制約として適用し、有効なパラメータ空間を定義する。
• モンテカルロイベント生成と検出器シミュレーション（DELPHESを用いて）を用いて、LHC および ILC の両方のシナリオにおける信号の有意性とバックグラウンド除去の見積もりを行う。
• 標準模型のバックグラウンド推定と信号効率の計算に基づき、統計的有意性を推定する。特に、1 TeV ILC における統合光度 O(1) ab⁻¹ を焦点とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mA ≲ 450 GeV かつ ρtt ≈ 0 の場合、LHC は bg → bA → bZh プロセスを通じて、ボトムヤクアワ係数駆動型電弱重ね合わせ生成に必要な名目的な Im(ρbb) = 0.058 を探査可能か？
• RQ2 LHC の感度が低下する mA > 2mt の領域において、1 TeV の中心系エネルギーを持つ ILC が、同じ Im(ρbb) を探査する際の発見可能性は LHC よりも優れているか？
• RQ3 ILC における共鳴的プロセス e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh の6bジェット終状態に対する感度は何か？また、強い一次的電弱相転移に関する洞察を提供できるか？
• RQ4 LHC と ILC がボトムヤクアワ係数駆動型電弱重ね合わせ生成を探査するにあたり、どのパラメータ空間で補完性が最も効果的か？
• RQ5 LHC が運動的閾値や信号強度の低下により感度を失う状況において、ILC の4bおよび6b終状態シグネチャが Im(ρbb) を独自に探査可能か？

主な発見

• LHC は、mA ≲ 450 GeV かつ ρtt ≈ 0 の条件下でのみ、bg → bA → bZh プロセスを通じて名目的な Im(ρbb) = 0.058 を探査可能であり、mA > 2mt になると感度が急激に低下する。
• mA > 2mt で ρtt が無視できる場合、LHC における Im(ρbb) = 0.058 の探査の有意性は著しく低下し、この領域では効果的に機能しない。
• 1 TeV の中心系エネルギーと O(1) ab⁻¹ の統合光度を持つ ILC では、e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b からの4bジェット終状態の発見が、高い有意性で可能であり、理想的な環境を提供する。
• ILC は、e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh からの6bジェット終状態を調べることで、強い一次的電弱相転移に関する洞察を得られ、1 TeV での発見可能性も高い。
• ILC の4bおよび6b終状態シグネチャは、特に mA > 2mt の運動的条件下で LHC とは補完的であり、独自の探査手段を提供する。
• LHC が失敗する mA > 2mt かつ ρtt ≈ 0 の領域において、LHC と ILC の補完性が最も顕著であり、ILC は共鳴的 Z* → AH 生産を通じて名目的な Im(ρbb) = 0.058 を依然として探査可能である。