[论文解读] Inert Doublet Model signatures at future $e^+e^-$ colliders

Dorota Sokolowska, J. Kalinowski+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出了在当前宇宙学和对撞机约束下可行的惰性双生模型（IDM）基准场景，并通过 $e^+e^-$ 碰撞中产生 $H^+H^-$ 和 $AH$ 过程，随后发生轻子衰变和半轻子衰变，评估了未来 $e^+e^-$ 对撞机上的可探测性。结果表明，半轻子末态显著提升了发现灵敏度，使得在 3 TeV 能量中心系下，5 ab$^{-1}$ 亮度时，可实现高达 1 TeV 的带电标量质量的 5$\sigma$ 显著性发现。

ABSTRACT

The Inert Doublet Model (IDM) is one of the simplest extensions of the Standard Model (SM), providing a dark matter candidate. It is a two Higgs doublet model with a discrete $Z_2$ symmetry, that prevents the scalars of the second doublet (inert scalars) from coupling to the SM fermions and makes the lightest of them stable. We study a large group of IDM scenarios, which are consistent with current constraints on direct detection, including the most recent bounds from the XENON1T experiment and relic density of dark matter, as well as with all collider and low-energy limits. We propose a set of benchmark points with different kinematic features, that promise detectable signals at future $e^+e^-$ colliders. Two inert scalar pair-production processes are considered, $e^+e^- o H^+H^-$ and $e^+e^- o AH$, followed by decays of $H^\pm$ and $A$ into final states which include the lightest and stable neutral scalar dark matter candidate $H$. Significance of the expected observations is studied for different benchmark models and different running scenarios, for centre-of-mass energies up to 3 TeV. Numerical results are presented for the signal signatures with two muons or an electron and a muon in the final state. For high mass scenarios, when the significance is too low for the leptonic signatures, the semi-leptonic signature can be used as the discovery channel.

研究动机与目标

• 识别满足所有当前实验约束（包括 XENON1T 直接探测、遗迹密度和 LHC 限制）的可行 IDM 场景。
• 提出具有多样化动量特征的基准点，以最大化未来 $e^+e^-$ 对撞机上的可探测性。
• 评估 ILC 和 CLIC 在多个能量中心系下，通过轻子末态和半轻子末态探测 IDM 标量的发现潜力。
• 评估在高能标量场景中，与纯轻子信号相比，半轻子通道带来的灵敏度增益。

提出的方法

• 研究采用先前工作中满足理论和实验约束的基准点集合，包括微扰幺正性、真空中稳定性以及电弱精确测试。
• 分析两种产生过程：$e^+e^- \to H^+H^-$ 和 $e^+e^- \to AH$，随后发生衰变 $H^\pm \to W^{\pm}H$ 和 $A \to Z^{(\star)}H$，其中 $H$ 为稳定的暗物质候选者。
• 在包含两μ子（$\mu^+\mu^-$）、电子-μ子对（$e^\pm\mu^\mp$）以及 $l^\pm\nu$ 和喷注的半轻子末态中研究信号特征。
• 使用蒙特卡洛模拟估算信号和背景事例，分别在 250、380 和 500 GeV 下计算 1 ab$^{-1}$ 的显著性，并扩展至 1.5 TeV 下 2.5 ab$^{-1}$ 和 3 TeV 下 5 ab$^{-1}$。
• 分析中包括动量学切片和缺失横向能量（$\cancel{E}_T$）重建，以提高信号与背景之比。
• 通过显著性 $S/\sqrt{B}$ 衡量灵敏度，其中 $S$ 和 $B$ 分别代表信号和背景事例数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未来的 $e^+e^-$ 对撞机上，能否探测到暗物质质量高达 1 TeV 的可行 IDM 场景？
• RQ2 在 ILC 和 CLIC 上，IDM 标量的发现灵敏度如何随能量中心系和亮度变化？
• RQ3 与纯轻子末态相比，半轻子末态在高能 IDM 信号中的相对灵敏度增益是多少？
• RQ4 级联衰变如 $H^\pm \to W^\pm A \to W^\pm ZH$ 对轻子末态中信号显著性的影响有多大？

主要发现

• 在 250 GeV、380 GeV 和 500 GeV 的能量中心系下，中性标量对产生过程的发现灵敏度分别延伸至 $m_A + m_H \approx 220$ GeV、300 GeV 和 330 GeV。
• 对于带电标量对产生过程，发现灵敏度在 250 GeV、380 GeV 和 500 GeV 下分别达到 $m_{H^\pm} \approx 110$ GeV、160 GeV 和 200 GeV。
• 在 1.5 TeV 下，2.5 ab$^{-1}$ 亮度时，$\mu^+\mu^-$ 通道可探测 $m_A + m_H < 450$ GeV，而 $e^\pm\mu^\mp$ 通道可探测至 $m_{H^\pm} < 500$ GeV。
• 半轻子通道 $H^+H^- \to HH l^\pm \nu qq$ 的显著性比纯轻子通道高 3 至 6 倍，原因在于更大的分支比和更优的信号与背景之比。
• 在 3 TeV 下，5 ab$^{-1}$ 亮度时，除一个基准点外，所有 $m_{H^\pm} \leq 1$ TeV 的基准点在半轻子通道中均达到 5$\sigma$ 显著性。
• 在 3 TeV 下，轻子末态未观察到探测灵敏度的显著提升，表明半轻子模式对探测最高质量区域至关重要。