[論文レビュー] New Physics with missing energy at future lepton colliders -- Snowmass White Paper

J. Kalinowski, Tania Robens+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、将来のレプトン衝突加速器における運動量の欠落を伴う新しい物理の発見可能性を調査し、インエラントダブルレットモデル（IDM）および追加の擬スカラーを有する2ヒッグスダブルケットモデル（THDMa）に焦点を当てる。理論的および実験的制約を用いたパラメータースキャンを実施し、3 TeVの中心エネルギーを持つ $e^+e^-$ 衝突加速器における生成断面積を予測し、$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ シグナル率が顕著なベンチマークポイントを同定する。これは、ダークマター検出のための実現可能なシグナルを強調する。

ABSTRACT

Two models that extend the particle content of the SM and provide dark matter candidates, namely the Inert Doublet Model and the Two-Higgs Doublet model with additional pseudoscalar, are confronted with current experimental and theoretical constraints and predictions for production cross sections for various standard pair-production modes within these models at future lepton colliders are presented.

研究の動機と目的

• 現在の実験的および理論的制約下で、インエラントダブルレットモデル（IDM）および追加の擬スカラーを有する2ヒッグスダブルケットモデル（THDMa）がダークマター候補として実現可能かどうかを評価すること。
• 3 TeVの中心エネルギーを持つ将来の $e^+e^-$ 衝突加速器における、ヒッグスに類似した状態（例：$HA$、$Ha$）の対生成断面積を予測すること。
• 運動量の欠落を伴う最終状態 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ の生成率が著しく高いベンチマークポイントを同定し、運動量の欠落探索において検出可能である可能性を示すこと。
• 電弱精度測定、B物理学、残存密度、直接検出の制約が、両モデルの実現可能なパラメータ空間に与える影響を評価すること。
• 運動量の欠落シグナルに関する、将来的な専用の衝突加速器解析の基盤を提供すること。これには、バックグラウンドのシミュレーションやカット最適化が含まれる。

提案手法

• 真空安定性、摂動的ユニタリティ、結合定数の正値性、スカラー位相の最小化といった理論的要件を組み合わせて、IDMおよびTHDMaモデルを制約すること。
• LHCヒッグス測定、LEPおよびテバトロンの探索、電弱精度観測量（$S$、$T$、$U$）、$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$、$\Delta M_s$、およびプランクおよびXENON1Tからのダークマターの残存密度および直接検出の制約を適用すること。
• HiggsBounds、HiggsSignals、2HDMC、SPheno、micrOMEGAs、MadDM などの公開ツールを用いて、グローバルフィッティングおよび素粒子物理学的解析を実施すること。
• Madgraph5を用いて、$\sqrt{s} = 3$ TeVにおける $t\bar{t}t\bar{t}$ および $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 最終状態の断面積を、因子化アプローチで計算すること。
• IDMにおける $e^+e^-$ 反応での正確なゲージボソン結合を保証するため、修正済みのUFOモデルファイルを実装すること。
• 制約を適用したパラメータ空間全体のスキャンを実施し、すべての制約を満たすとともに、運動量の欠落シグナルの信号率を最大化するベンチマークポイントを同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての現在の理論的および実験的制約を適用した後、インエラントダブルレットモデル（IDM）およびTHDMaモデルの実現可能なパラメータ空間はどのようなものか？
• RQ2 3 TeVの $e^+e^-$ 衝突加速器において、運動量の欠落を伴う $e^+e^-$ 最終状態（特に $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$）が、どの程度の断面積で生成可能か？
• RQ3 B物理学観測量（$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$）および電弱精度データは、THDMaモデルにおける許容可能な質量および混合パラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 すべての制約を完全に満たす条件下で、$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ の最大生成断面積はどの程度達成可能か？
• RQ5 $t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ シグナルが支配的であり、かつ大きな断面積を持つベンチマークポイントを同定できるか？

主な発見

• IDMおよびTHDMaモデルは、電弱および真空安定性の制約により、スカラー質量が通常は縮退する非常に制限されたパラメータ空間でのみ、実現可能なダークマター候補である。
• THDMaモデルでは、$B$物理学観測量により $m_{H^\pm} \lesssim 800$ GeV および $\tan\beta \lesssim 1$ が除外され、標準的2HDMと同様の制約が得られる。
• THDMaモデルにおけるダークマターの残存密度は、$m_a - 2m_\chi \lesssim 0$ のとき特徴的な共鳴ピークを示し、$a \to \chi\bar{\chi}$ による効率的な消失が可能となる。このとき $\Omega h^2 \lesssim 0.12$ が要求される。
• 3 TeVの $e^+e^-$ 衝突加速器において、$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ 最終状態の断面積はIDMおよびTHDMa両モデルで顕著であり、$t\bar{t}t\bar{t}$ よりも支配的である点が非無視可能な割合で存在する。
• $m_H = 643$ GeV、$m_A = 907$ GeV、$m_{H^\pm} = 814$ GeV、$m_a = 653$ GeV、$m_\chi = 277$ GeV、$\lambda_{P_2} = 2.98$ のベンチマークポイントが同定され、$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$ の信号率が大きく、すべての幅/質量比が $\lesssim 6\%$ に収まっている。
• $HA$ 生成の分支比を調査した結果、合計質量に応じて $t\bar{t}$、$b\bar{b}$、$\tau\bar{\tau}$ などの最終状態が支配的となるが、質量が高くなると $\not{E}_\perp}$ 最終状態が顕著になる。