[论文解读] Higgs Production in Association with a Dark-Z at Future Electron Positron Colliders

Pierce Giffin, Ian Lewis+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 71被引用 3

一句话总结

本文提出在未来的电子-positron对撞机上，针对能量低于标准Higgs玻色子产生阈值（例如，√s = 160 GeV）的场景，开展一种新颖的Higgs玻色子与轻型暗Z玻色子（Zd）关联产生过程的搜索。利用高分辨率探测器，研究表明e⁺e⁻ → hZd对h–Z–Zd耦合常数δ ∼ 8 × 10⁻³以及Zd质量低于1 GeV时的截面（1–2 ab）具有敏感性，从而能够发现当前LHC搜索无法探测的轻型Zd玻色子。

ABSTRACT

In recent years there have been many proposals for new electron-positron colliders, such as the Circular Electron-Positron Collider, the International Linear Collider, and the Future Circular Collider in electron-positron mode. Much of the motivation for these colliders is precision measurements of the Higgs boson and searches for new electroweak states. Hence, many of these studies are focused on energies above the $h\,Z$ threshold. However, there are proposals to run these colliders at the lower $WW$ threshold and $Z$-pole energies. In this paper, we propose a new search for Higgs physics accessible at lower energies: $e^+e^- ightarrow h\,Z_d$, where $Z_d$ is a new light gauge boson such as a dark photon or dark-$Z$. Such searches can be conducted at the $WW$ threshold, i.e. energies below the $h\,Z$ threshold where exotic Higgs decays can be searched for in earnest. Additionally, due to very good angular and energy resolution at future electron-positron colliders, these searches will be sensitive to $Z_d$ masses below 1 GeV, which is lower than the current direct LHC searches. We will show that at $\sqrt{s}=160$ GeV with 10 ab$^{-1}$, a search for $e^+e^- ightarrow h\,Z_d$ is sensitive to $h-Z-Z_d$ couplings of $\delta\sim 8 imes 10^{-3}$ and cross sections of $\sim 1-2$ ab for $Z_d$ masses below 1 GeV. The results are similar at $\sqrt{s}=240$ GeV with 5 ab$^{-1}$.

研究动机与目标

• 通过未来电子-positron对撞机上Higgs玻色子与轻型暗Z玻色子（Zd）的关联产生，探索Higgs玻色子衰变和耦合中的新物理。
• 实现对当前LHC搜索无法探测的轻型Zd玻色子（mZd < 1 GeV）的发现，因其在低质量区间的探测灵敏度有限。
• 证明在低于标准Higgs产生阈值（240 GeV）的能量下，探测h–Z–Zd耦合的可行性。
• 利用未来对撞机的高能和角分辨率，探索暗物质模型中此前未被探索的参数空间。

提出的方法

• 将暗Z玻色子（Zd）建模为来自U(1)d对称性自发破缺的轻型规范玻色子，其通过质量混合或动能混合与Higgs玻色子和SM Z玻色子发生有效耦合。
• 采用有效拉格朗日量方法描述h–Z–Zd相互作用，耦合强度由参数δ表征，其来源于Z–Zd质量混合。
• 在√s = 160 GeV和√s = 240 GeV下模拟过程e⁺e⁻ → Z* → hZd，假设Zd衰变为轻子（Zd → ℓ⁺ℓ⁻）。
• 应用真实的探测器级截断条件与重建技术，包括对h和Zd的不变质量重建，以抑制本底。
• 利用蒙特卡洛模拟与信号效率计算，估算不同Zd质量与耦合强度下的发现能力。
• 采用渐近公式（如Feldman–Cousins）进行显著性估计，以确定对信号的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于240 GeV运行的未来电子-positron对撞机上，是否能够发现与轻型暗Z玻色子（Zd）关联产生的Higgs玻色子？
• RQ2 对于Zd质量低于1 GeV的情况，此类搜索对h–Z–Zd耦合的灵敏度如何？
• RQ3 未来对撞机能否探测低于当前LHC探测灵敏度阈值（约1 GeV）的Zd质量？
• RQ4 与LHC相比，未来对撞机的高能和角分辨率如何提升对轻型Zd玻色子的发现能力？
• RQ5 为实现对δ ∼ 8 × 10⁻³的hZd产生过程的探测灵敏度，需要多高的亮度和中心系能量？

主要发现

• 在√s = 160 GeV、积分亮度为10 ab⁻¹的条件下，该搜索对h–Z–Zd耦合常数δ ∼ 8 × 10⁻³具有探测灵敏度。
• 相同搜索对Zd质量低于1 GeV的截面灵敏度达到1–2 ab。
• 发现能力延伸至Zd质量低于1 GeV，超越了当前LHC探测灵敏度限制（mZd > 1 GeV）。
• 在√s = 240 GeV、亮度为5 ab⁻¹时的灵敏度与在160 GeV、亮度为10 ab⁻¹时相当，表明在不同能量点上性能稳定。
• 研究表明，WW阈值运行（160 GeV）可实现对奇异Higgs衰变及标准Higgs产生模式无法触及的新物理的探测。
• 未来对撞机的高分辨率能力使得h和Zd末态能够被清晰重建，显著提升了信号与本底的区分能力。