[论文解读] Naturalness in the Dark at the LHC

Nathaniel Craig, Andrey Katz+2 more|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|Jan 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 18

一句话总结

本文提出了一种最小化的‘兄弟型’孪生希格斯模型，其中顶夸克伙伴为色 singlet，导致具有孪生强相互作用和希格斯门户的暗物质 sector。自然性偏好顶夸克伙伴衰变为喷射出的孪生强子，产生显著的LHC信号，如位移顶点和缺失能量，为超越传统色荷顶夸克伙伴的‘小层次问题’提供了一种可行且实验可探测的解决方案。

ABSTRACT

We revisit the Twin Higgs scenario as a "dark" solution to the little hierarchy problem, identify the structure of a minimal model and its viable parameter space, and analyze its collider implications. In this model, dark naturalness generally leads to Hidden Valley phenomenology. The twin particles, including the top partner, are all Standard-Model-neutral, but naturalness favors the existence of twin strong interactions -- an asymptotically-free force that confines not far above the Standard Model QCD scale -- and a Higgs portal interaction. We show that, taken together, these typically give rise to exotic decays of the Higgs to twin hadrons. Across a substantial portion of the parameter space, certain twin hadrons have visible and often displaced decays, providing a potentially striking LHC signature. We briefly discuss appropriate experimental search strategies.

研究动机与目标

• 重新审视孪生希格斯场景作为‘暗物质’版本的小层次问题解决方案，重点关注无色顶夸克伙伴。
• 确定兄弟型孪生希格斯模型的最小粒子内容和可行参数空间。
• 分析对撞机现象学，特别是希格斯粒子衰变为孪生强子并产生位移顶点的衰变。
• 提出针对这些信号的LHC探测策略，包括位移顶点和部分可见衰变。

提出的方法

• 构建一个具有孪生色 gauge 群、在QCD尺度渐近自由且具有希格斯门户耦合的最小‘兄弟型’孪生希格斯模型。
• 通过有效场论匹配计算电弱自然性调谐，并估计对希格斯质量的辐射修正。
• 通过孪生QCD建模孪生强子的产生，包括胶球和夸克胶子束缚态，并通过与SM光子的动能混合计算其衰变模式。
• 分析希格斯粒子衰变为孪生强子的过程，重点关注衰变具有位移性且可在LHC探测的动量区域。
• 利用希格斯门户和动能混合将孪生 sector 与SM末态联系起来，从而实现部分可见信号。
• 提出基准模型和探测策略，包括单重和双重位移顶点探测，以实现实验探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有无色顶夸克伙伴的最小孪生希格斯模型是否仍能在无色伙伴的情况下实现自然性？
• RQ2 在此模型中，希格斯粒子衰变为孪生强子的主要对撞机信号是什么，特别是具有位移衰变的信号？
• RQ3 动能混合和希格斯门户耦合如何在LHC中实现部分可见信号？
• RQ4 这些信号最显著的可行参数空间区域有哪些？
• RQ5 检测孪生强子衰变产生的位移顶点和缺失能量的最有效LHC探测策略是什么？

主要发现

• 在参数空间的较大区域中，希格斯粒子衰变为孪生强子的奇异衰变是主导信号，尤其在孪生QCD尺度较大且孪生夸克较轻的区域。
• 孪生强子（特别是胶球和底夸克胶子束缚态）的位移衰变可产生带有缺失横向能量的可探测位移顶点，构成LHC的关键信号。
• 对于小动能混合（ε ≲ 10⁻¹），希格斯粒子衰变为γ + 缺失能量或γγ + 缺失能量的分支比变得显著，尤其在孪生强子产生率较高的区域。
• 质量低于~1 GeV的孪生光子可导致高多重末态（≥4个光子），衰变为轻子或强子对，其信号特征为即时或位移衰变，具体取决于ε值。
• 对位移轻子对和多轻子末态的探测具有高灵敏度，但当cτ > 10 m时约束显著减弱，使得新的信号区域仍具可行性。
• 该模型预测在区域C和D中，Υ(1S)衰变产生的μ⁺μ⁻ + 缺失能量末态可能较为常见，为发现提供独特信号。