[论文解读] 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 6

一句话总结

本文研究了在一般双 Higgs 双生模型（g2HDM）中，由复数底夸克 Yukawa 耦合（Im(ρbb) ≳ 0.058）驱动的电弱重子生成机制，提出在大型强子对撞机（LHC）和未来正负电子对撞机上进行互补探测。结果表明，当 300 GeV ≲ mA ≲ 450 GeV 时，LHC 可通过 bg → bA → bZh 过程探测到名义上的 Im(ρbb)；而国际线性对撞机（ILC）在 1 TeV 能量下，具有 O(1) ab⁻¹ 的亮度时，可通过 e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b 和 6b 最终态实现更优越的探测灵敏度，尤其在 mA > 2mt 时，LHC 的探测能力显著下降。

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.

研究动机与目标

• 研究在一般双 Higgs 双生模型（g2HDM）中，由复数底夸克 Yukawa 耦合（Im(ρbb) ≳ 0.058）驱动的电弱重子生成机制的发现潜力。
• 评估大型强子对撞机（LHC）对 bg → bA → bZh 过程的探测灵敏度，以探测在顶夸克 Yukawa 耦合可忽略时的名义 Im(ρbb)。
• 评估未来正负电子对撞机，特别是国际线性对撞机（ILC），通过 e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b 和 6b 最终态探测该机制的独特发现潜力。
• 探索 LHC 与 ILC 在探测相同重子生成机制时的互补性，特别是在 mA > 2mt 且顶夸克 Yukawa 耦合较小时的困难区域。

提出的方法

• 分析 LHC 上 bg → bA → bZh 过程，聚焦于包含三个 b 价夸克和一个轻子对的最终态，采用部分子级截面计算和探测器模拟假设。
• 评估未来 ILC 能量下（500 GeV 和 1 TeV）的 e⁺e⁻ → Z* → AH 过程，后续衰变 A/H → b̄b，产生 4b 价夸克最终态。
• 研究通过 e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh 实现的共振双 Higgs 产生过程，导致六价夸克最终态，以探测强一阶电弱相变。
• 应用来自电弱精确测量、Higgs 信号强度和电子电偶极矩（EDM）约束的理论限制，以界定可行的参数空间。
• 使用蒙特卡洛事件生成和探测器模拟（通过 DELPHES）估算 LHC 和 ILC 情况下的信号显著性和背景抑制能力。
• 采用标准模型背景估计和信号效率计算，通过标准统计显著性估计方法，重点关注 1 TeV ILC 下 O(1) ab⁻¹ 的积分亮度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 mA ≲ 450 GeV 且 ρtt ≈ 0 时，LHC 是否可通过 bg → bA → bZh 过程探测到实现底夸克 Yukawa 耦合驱动电弱重子生成所需的名义 Im(ρbb) = 0.058？
• RQ2 在 mA > 2mt 区域，当 LHC 探测灵敏度下降时，1 TeV 对心能量的 ILC 与 LHC 相比，其探测相同 Im(ρbb) 的发现潜力如何？
• RQ3 ILC 对 e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh 的共振过程在六价夸克最终态中的探测灵敏度如何？该过程是否能为强一阶电弱相变提供洞察？
• RQ4 在何种参数空间中，LHC 与 ILC 对底夸克 Yukawa 耦合驱动电弱重子生成的探测具有最强互补性？
• RQ5 当 LHC 因动力学阈值或信号强度降低而不再敏感时，ILC 的 4b 和 6b 最终态信号是否能提供对 Im(ρbb) 的独特探测？

主要发现

• 当 mA ≲ 450 GeV 且 ρtt ≈ 0 时，LHC 仅能通过 bg → bA → bZh 过程探测到名义上的 Im(ρbb) = 0.058，当 mA > 2mt 时探测灵敏度急剧下降。
• 在 mA > 2mt 且 ρtt 可忽略时，LHC 对探测 Im(ρbb) = 0.058 的显著性显著降低，导致在此区域失效。
• 在 1 TeV 对心能量和 O(1) ab⁻¹ 积分亮度下，ILC 为 e⁺e⁻ → Z* → AH → 4b 产生的 4b 价夸克最终态提供了理想的发现环境，显著性高。
• ILC 同样可探测 e⁺e⁻ → Z* → AH → Ahh 产生的 6b 价夸克最终态，该过程对强一阶电弱相变具有高发现潜力，尤其在 1 TeV 能量下。
• ILC 的 4b 和 6b 最终态信号为 LHC 提供了独特且互补的探测手段，尤其在 mA > 2mt 的动力学挑战区域。
• 当 mA > 2mt 且 ρtt ≈ 0 时，LHC 与 ILC 的互补性最强，此时 LHC 失效，而 ILC 仍可通过共振 Z* → AH 产生探测到名义上的 Im(ρbb) = 0.058。