[论文解读] New Physics with missing energy at future lepton colliders -- Snowmass White Paper

J. Kalinowski, Tania Robens+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了未来轻子对撞机中以缺失能量为特征的新物理的发现潜力，重点针对惰性双重态模型（IDM）和带有额外赝标量的二Higgs双重态模型（THDMa）。通过结合实验与理论限制，进行了参数空间的约束扫描，预测了在质心系能量为3 TeV的$e^+e^-$对撞机上产生截面，并识别出一个具有显著$t\bar{t}+\not{E}_\perp$信号率的基准点，凸显了暗物质探测的可行信号。

ABSTRACT

Two models that extend the particle content of the SM and provide dark matter candidates, namely the Inert Doublet Model and the Two-Higgs Doublet model with additional pseudoscalar, are confronted with current experimental and theoretical constraints and predictions for production cross sections for various standard pair-production modes within these models at future lepton colliders are presented.

研究动机与目标

• 在当前实验与理论约束下，评估惰性双重态模型（IDM）和带有额外赝标量的二Higgs双重态模型（THDMa）作为暗物质候选者的可行性。
• 预测未来质心系能量为3 TeV的$e^+e^-$对撞机上，由Higgs样粒子（如$HA$、$Ha$）成对产生所对应的截面。
• 识别出$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$末态中信号率较高的基准点，这些信号在缺失能量探测中可被观测到。
• 评估电弱精确测量、B物理、遗迹密度及直接探测约束对两种模型可行参数空间的相互作用影响。
• 为未来针对这些模型中缺失能量信号的专门对撞机分析（包括背景模拟与截断优化）提供基础。

提出的方法

• 结合理论要求（真空稳定性、微扰幺正性、耦合正定性、标量势最小化）对IDM与THDMa模型进行约束。
• 应用来自LHC的Higgs测量、LEP与Tevatron搜索、电弱精确观测量（$S$、$T$、$U$）、$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$、$\Delta M_s$，以及来自Planck与XENON1T的暗物质遗迹密度与直接探测约束。
• 使用HiggsBounds、HiggsSignals、2HDMC、SPheno、micrOMEGAs与MadDM等公开工具进行全局拟合与现象学分析。
• 利用Madgraph5在$\sqrt{s} = 3$ TeV条件下，通过因子化方法计算$t\bar{t}t\bar{t}$与$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$末态的产生截面。
• 为IDM实现一个修正后的UFO模型文件，以确保在$e^+e^-$过程中规范玻色子耦合的准确性。
• 在模型参数上执行全局扫描，施加所有约束条件，并识别出满足所有限制且最大化缺失能量信号截面的基准点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在施加所有当前理论与实验约束后，惰性双重态模型（IDM）与THDMa模型的可行参数空间是什么？
• RQ2 在3 TeV的$e^+e^-$对撞机上，哪些涉及缺失能量的末态（特别是$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$）能以显著截面产生？
• RQ3 B物理可观测量（$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$）与电弱精确测量约束如何塑造THDMa模型中质量与混合参数的允许空间？
• RQ4 在完全满足所有约束条件的前提下，IDM与THDMa模型中$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$的最高可实现产生截面是多少？
• RQ5 能否识别出一个基准点，使得$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$信号占主导且截面较大，适合开展专门的对撞机分析？

主要发现

• IDM与THDMa模型仅在高度受限的参数空间内是可行的暗物质候选者，标量质量通常因电弱与真空稳定性约束而简并。
• 在THDMa模型中，$m_{H^\pm} \lesssim 800$ GeV与$\tan\beta \lesssim 1$被B物理可观测量排除，与标准2HDM中的约束相似。
• THDMa模型中暗物质的遗迹密度在$m_a - 2m_\chi \lesssim 0$时表现出特征性共振峰，表明通过$a \to \chi\bar{\chi}$过程实现高效湮灭，且要求$\Omega h^2 \lesssim 0.12$。
• 对于3 TeV的$e^+e^-$对撞机，$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$末态在IDM与THDMa中具有显著截面，且在相当一部分参数点中，其截面超过$t\bar{t}t\bar{t}$末态。
• 识别出一个基准点，其参数为：$m_H = 643$ GeV，$m_A = 907$ GeV，$m_{H^\pm} = 814$ GeV，$m_a = 653$ GeV，$m_\chi = 277$ GeV，$\lambda_{P_2} = 2.98$，该点表现出大的$t\bar{t}+\not{E}_\perp}$信号率，且所有宽度与质量之比均$\lesssim 6\%$。
• 对于$HA$产生的分支比显示，末态如$t\bar{t}$、$b\bar{b}$与$\tau\bar{\tau}$的主导性取决于总质量，而在更高质量下，$\not{E}_\perp}$末态变得尤为显著。