[论文解读] Higgs-boson visible and invisible constraints on hidden sectors

Thomas Biekötter, Mathias Pierre|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文通过顶夸克质量为125 GeV的希格斯玻色子研究隐秘扇区的约束，利用卡方拟合方法对LHC测量的希格斯玻色子产生和衰变率进行分析，推导出耦合修正因子和不可见分支比BRinv的排除极限。结果表明，截面测量的间接约束通常强于直接的不可见衰变搜索，且不可见衰变甚至可以挽救原本被间接约束排除的参数空间区域。

ABSTRACT

We investigate the impact of interactions between hidden sectors and the discovered Higgs boson $h_{125}$, allowing for additional invisible decay channels of $h_{125}$. We perform $\chi^2$-fits to the measurements of the Higgs-boson cross sections as a function of the invisible branching ratio and different combinations of coupling modifiers, where the latter quantify modifications of the couplings of $h_{125}$ compared to the predictions of the Standard Model. We present generic results in terms of exclusion limits on the coupling modifiers and the invisible branching ratio of $h_{125}$. Additionally, we apply our results to a variety of concrete model realizations containing a hidden sector: dark matter within Higgs- and singlet-portal scenarios, models featuring (pseudo) Nambu-Goldstone bosons and two Higgs doublet extensions. One of the main conclusions of our work is that in a wide class of models the indirect constraints resulting from the measurements of the cross sections of $h_{125}$ provide substantially stronger constraints on the invisible Higgs-boson branching ratio compared to the direct limits obtained from searches for the invisible decay of $h_{125}$. However, we demonstrate that the presence of an invisible decay mode of $h_{125}$ can also open up parameter space regions which otherwise would be excluded as a result of the indirect constraints. As a byproduct of our analysis, we show that in light of the new results from the LZ collaboration a fermionic DM candidate within the simplest Higgs-portal scenario is completely ruled out.

研究动机与目标

• 评估LHC数据中不可见希格斯衰变对隐秘扇区约束的影响。
• 比较基于希格斯信号强度测量的间接约束与基于不可见衰变搜索的直接限制。
• 在更新的希格斯玻色子数据背景下，评估各类隐秘扇区模型（如希格斯门户和单态门户暗物质、(伪)Nambu-Goldstone玻色子，以及两希格斯双重模型）的可行性。
• 确定不可见衰变模式的存在是否能够缓解原本被排除的参数空间区域。

提出的方法

• 对LHC希格斯信号强度测量进行全局卡方拟合，变化耦合修正因子和BRinv。
• 将测量的希格斯产生和衰变率（ggF、VBF、VH、ttH、bb̄、ττ、γγ等）作为约束条件。
• 将拟合应用于耦合修改的模型（通用和非通用）以及非零不可见分支比的模型。
• 以模型无关的方式推导出对耦合修正因子和BRinv的排除极限。
• 将结果应用于具体隐秘扇区模型：希格斯门户暗物质、单态门户暗物质、(P)NGBs，以及具有不同Yukawa类型的不同2HDMs。
• 整合最新的LZ直接探测限制，以评估费米子型暗物质候选者的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与直接的不可见衰变搜索相比，基于希格斯信号强度测量的间接约束对不可见分支比BRinv的限制如何？
• RQ2 不可见希格斯衰变模式的存在是否能够挽救原本被间接约束排除的参数空间区域？
• RQ3 最新的LZ直接探测限制对最简希格斯门户模型中费米子型暗物质的含义是什么？
• RQ4 在扩展希格斯扇区的模型中，如(P)NGBs，混合角和BRinv的约束如何相互作用？
• RQ5 当BRinv非零时，2HDM参数空间中哪些区域仍然可行，特别是类型I、II、III和IV？

主要发现

• 对于BRinv，基于希格斯信号强度测量的间接约束显著强于直接的不可见衰变搜索限制。
• 在一大类模型中，间接约束占主导地位，能够排除原本可通过直接搜索允许的区域。
• 不可见衰变模式的存在可以挽救原本被间接约束排除的参数空间区域，尤其在非通用耦合修正的模型中更为明显。
• 在最简希格斯门户费米子型暗物质模型中，最新的LZ直接探测限制在标准假设下排除了对应正确丰度的基准点。
• 在类型II和IV的2HDM中，即使BRinv = 10%，仍存在一个狭窄的可行区域，其cos(α−β)为小的正值，且当BRinv > 2%时，错误符号Yukawa区域能够变得可行。
• 在未考虑其相互依赖关系的情况下，对混合角和BRinv施加独立约束，会导致对允许参数空间的高估，这一结论由同时包含两个可观测量的全局拟合结果证实。