[论文解读] 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 1

一句话总结

该论文提出了一种带有复标量单重态的型II两希格斯双重模型（2HDMS），该模型同时解释了CMS和LEP实验中观测到的γγ和b¯b末态中95 GeV的过剩信号，并提供了一个可行的赝标量暗物质（DM）候选者。该模型具有一个实单重态真空期望值（vev），与2HDM希格斯场耦合，生成一个95 GeV的轻CP偶宇称标量（h3）和一个稳定的赝标量DM（AS）。基准点满足所有理论和实验约束，且在未来的轻子对撞机（尤其是μ子对撞机）中具有极好的探测前景。

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.

研究动机与目标

• 探索一种2HDMS模型，该模型可同时解释CMS和LEP实验中观测到的γγ和b¯b末态中95 GeV的过剩信号。
• 在模型中识别一个可行的暗物质候选者，确保其与宇宙微波背景辐射密度、直接探测和间接探测约束一致。
• 在理论（下界有界性、幺正性）和实验（LHC、LEP、精密可观测量）约束下扫描参数空间。
• 评估基准点在高亮度LHC（HL-LHC）和未来轻子对撞机上的发现潜力，重点关注单喷流、单光子和单Z末态。

提出的方法

• 该模型在型II 2HDM基础上引入一个复标量单重态，其中实部获得真空期望值（vev），导致单重态与2HDM希格斯场之间发生混合。
• 希格斯场扩展为六个物理态：三个CP偶宇称标量（h1, h2, h3）、一个CP奇宇称赝标量（A）、一对带电希格斯（H±）以及一个赝标量DM候选者（AS）。
• 推导并应用理论约束条件——下界有界性（bfb）和树图幺正性，以限制参数空间。
• 通过直接探测限制、LHC单喷流和单Z搜索、LEP b¯b数据以及精密电弱可观测量施加实验约束。
• 选取一个代表性基准点，其满足所有约束条件，并与观测到的95 GeV信号强度（μ ≈ 1）一致。
• 在HL-LHC（胶子融合、矢量玻色子融合、单喷流、两前向喷流 + /E_T）和未来轻子对撞机（ILC、μ子对撞机）上评估对撞现象学，重点关注光子和喷流截断条件（Eγ > 10 GeV，θ > 7°）下的单光子和单Z末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 2HDMS模型能否同时容纳γγ和b¯b末态中观测到的95 GeV过剩信号，同时提供一个可行的暗物质候选者？
• RQ2 哪些理论和实验约束对2HDMS模型的参数空间限制最为严格？
• RQ3 有效DM-希格斯门户耦合（δ′25）、tan β以及DM质量项（m′2S）如何影响直接探测和宇宙微波背景辐射密度约束？
• RQ4 在HL-LHC和未来轻子对撞机上，基准点的探测前景如何，特别是在单喷流和单光子/Z末态中？
• RQ5 e+e−和μ+μ−对撞机上的产生截面如何比较？束流极化在提升信号灵敏度方面起什么作用？

主要发现

• 下界有界性（bfb）条件对2HDMS参数空间施加了最严格的理论约束。
• 直接探测实验对有效DM-希格斯门户耦合δ′25、tan β以及DM质量项m′2S施加了严格限制。
• 基准点成功拟合了观测到的95 GeV信号强度（μ ≈ 1），在γγ和b¯b末态中，且满足所有理论和实验约束。
• HL-LHC对单喷流和两前向喷流 + /E_T末态的预测对基准点不具前景，原因在于新物理标量质量过高。
• μ子对撞机在单光子和单Z末态中提供最高的产生截面——比e+e−对撞机高两到五个数量级——涉及DM候选者。
• ZASAS和ZASASγ过程在h3共振能区显著增强，μ子对撞机在观测这些信号方面前景最佳。