[论文解读] Extended scalar sectors at current and future colliders

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文研究了标准模型之外的扩展标量场，重点关注实单重态和惰性双态模型，利用当前和未来的对撞机数据约束参数并预测发现潜力。文章更新了来自LHC的数据约束，并对HL-LHC、FCC-hh以及未来μ子对撞机进行了前景预测，表明在27 TeV质子-质子对撞机和30 TeV μμ对撞机中，可实现1000事件的探测灵敏度阈值，用于探测重希格斯共振态。

ABSTRACT

After the discovery of a particle that complies with the properties of the Higgs boson predicted by the Standard Model, particle physics has entered an exciting era. One important question is whether the scalar sector realized by Nature indeed corresponds to the one predicted by the SM, or whether the resonance at 125 GeV is a manifestation of a more extended scalar sector, and additional scalar states could be observed at current or future collider facilities.

研究动机与目标

• 评估扩展标量场——特别是实单重态和惰性双态模型——在当前实验约束下的可行性。
• 评估在当前（LHC）和未来对撞机（HL-LHC、FCC-hh、CLIC、μ子对撞机）中探测额外希格斯样态的潜力。
• 利用最新的HiggsBounds/HiggsSignals工具和ATLAS联合限值，更新并优化现有约束。
• 探索未来对撞机在探测重希格斯共振态方面的探测能力，特别是在三希格斯末态和二玻色子衰变中。
• 基于事件计数标准和截面模拟，为未来实验计划提供基准点和灵敏度估计。

提出的方法

• 采用具有真空期望值软破缺的$̧_2$-对称实单重态扩展标准模型，参数化为$\sin\alpha$、$m_2$和$\tan\beta = v/v_s$。
• 通过有界性从下、微扰幺正性和耦合微扰性等理论约束，使用2HDMC和ScannerS等工具。
• 利用HiggsBounds和HiggsSignals实施实验约束，处理LHC数据；使用MicrOMEGAs计算暗物质遗迹密度和直接探测限制。
• 使用MadGraph5_aMC@NLO和HERWIG进行14 TeV LHC下三希格斯末态的信号与背景模拟。
• 通过计数准则评估对撞机灵敏度：若在标称亮度下可产生1000个信号事例，则认为该基准点可探测。
• 使用修正的UFO模型文件，通过MadGraph5计算pp和$\mu\mu$对撞机下$AA$、$H^+H^-$及VBF型过程的产生截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于实单重态模型，当前实验对标准模型的扩展有哪些约束，特别是$H \to h_{125}h_{125}$衰变模式？
• RQ2 二玻色子末态和LHC运行1/运行2的搜索结果如何约束惰性双态模型的参数空间？
• RQ3 未来对撞机（HL-LHC、FCC-hh、CLIC、μ子对撞机）在惰性双态模型中探测重希格斯态的预期发现能力如何？
• RQ4 在14 TeV LHC中，当前分析策略能否观测到三希格斯末态$pp \to h_1 h_1 h_1 \to 6b$？
• RQ5 VBF型产生模式如何提升高能对撞机中标量共振态的发现潜力？

主要发现

• 对于$\tan\beta = 0.1$的实单重态模型，最严格的直接搜索来自二玻色子末态，特别是ATLAS运行2数据。
• $H \to h_{125}h_{125}$衰变模式受到ATLAS联合限值的约束，当$m_2 \geq 125$ GeV时，模型允许的参数空间显著缩小。
• 在惰性双态模型中，13 TeV LHC下$AA$和$H^+H^-$成对产生最为敏感，VBF型模式可将发现探测范围扩大至两倍。
• 27 TeV质子-质子对撞机在$AA$和$H^+H^-$产生方面的发现能力与10 TeV μ子对撞机相当，而100 TeV FCC-hh的性能可媲美30 TeV $\mu\mu$对撞机。
• 对于三希格斯末态$pp \to h_1 h_1 h_1 \to 6b$，当$m_2 \approx 255-320$ GeV且$m_3 \approx 454-504$ GeV时，分别在300 fb$^{-1}$和3000 fb$^{-1}$亮度下显著性达到2.92和15.86。
• $\sigma(pp \to h_1 h_1 h_1)$截面范围为32.40 fb至51.00 fb，相应$3b\bar{b}$末态截面为6.40 fb至10.07 fb，表明在中等亮度下具备可观测性。