[论文解读] Observing the Coupling between Dark Matter and Higgs Boson at the ILC

Shigeki Matsumoto, H. Fujii+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文研究了国际线性对撞机（ILC）在暗物质为标量、费米子或矢量粒子的场景下，对暗物质与希格斯玻色子之间希格斯门户耦合的敏感度。利用中心系能量低于500 GeV时的隐形希格斯衰变和希格斯辐射过程，研究表明当暗物质质量小于希格斯玻色子质量一半时，ILC可高显著性地探测到该耦合；在质量超过该阈值的特定高耦合区域，同样具备探测能力，从而可与直接探测实验形成交叉验证。

ABSTRACT

One of the main purposes on physics at the International Linear Collider (ILC) is to study the property of dark matter such as its mass, spin, and interactions between the dark matter and particles in the standard model. Among those, the interaction between dark matter and higgs boson is important, because, if the dark matter is a weakly interacting massive particle, the existence of the dark matter is expected to relate to physics of electroweak symmetry breaking. In addition, the interaction plays an important role at direct detection experiments of dark matter. In this report, we discuss how accurately the coupling constant of the interaction can be measured at the ILC with the center of mass energy less than 500 GeV.

研究动机与目标

• 评估ILC探测暗物质与希格斯玻色子之间耦合的能力，这是弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质模型中的关键相互作用。
• 识别在中心系能量低于500 GeV时，ILC可探测该耦合的参数空间（暗物质质量与耦合强度）。
• 将ILC的敏感度与LHC以及CDMS和XENON100等直接探测实验的敏感度进行比较。
• 评估在ILC上通过隐形希格斯衰变（当 m_DM < m_h/2 时）和希格斯辐射过程（当 m_DM ≥ m_h/2 时）探测暗物质的可行性。
• 通过量化不同自旋类型暗物质的预期敏感度，为未来对撞机和直接探测实验提供基准参考。

提出的方法

• 本研究采用希格斯门户场景，其中暗物质通过Z₂对称性相互作用与希格斯玻色子耦合，分三种情况：标量、费米子和矢量暗物质。
• 当 m_DM < m_h/2 时，通过希格斯玻色子的隐形衰变（h → 2DM）分析信号，利用动量重建与事例计数，假设隐形模式分支比为100%。
• 当 m_DM ≥ m_h/2 时，通过希格斯辐射过程 e⁺e⁻ → h*Z → 2DM + q̄q 分析信号，其特征为两个高能夸克喷注与大量缺失能量。
• 通过利用标记喷注重建Z玻色子的运动学量，对 W⁺W⁻、ZZ、ννZ、e⁺e⁻Z 和 e±νW∓ 背景进行抑制。
• 应用似然比分析以区分信号与背景，设定95%置信水平（C.L.）的探测阈值为信号截面在0.7–0.8 fb之间。
• 分析假设希格斯玻色子质量为120 GeV，在 √s = 300 GeV 下，对高质质量区域使用2 ab⁻¹积分亮度，对低质量区域使用1 ab⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 当暗物质质量小于希格斯玻色子质量一半时，ILC对暗物质与希格斯玻色子之间希格斯门户耦合的探测敏感度如何？
• RQ2 当暗物质质量超过希格斯玻色子质量一半时，ILC能否探测到该耦合？在何种条件下可行？
• RQ3 ILC在探测相同耦合时，其敏感度与LHC及CDMS和XENON100等直接探测实验相比如何？
• RQ4 需要哪些运动学与分析技术，才能将希格斯辐射信号（e⁺e⁻ → 2DM + q̄q）与主导的标准模型背景区分开？
• RQ5 ILC能否在同一实验中同时利用隐形希格斯衰变与希格斯辐射过程，对希格斯门户耦合进行交叉验证？

主要发现

• 当暗物质质量小于60 GeV（m_h/2 = 60 GeV）且分支比超过0.95%时，ILC可通过隐形希格斯衰变（h → 2DM）探测到希格斯门户耦合。
• 在 m_DM ≥ m_h/2 区域，若在 √s = 300 GeV 下使用2 ab⁻¹积分亮度，且经过运动学切割后信号截面超过0.7–0.8 fb，ILC可在95% C.L. 下探测到信号。
• 在 m_DM < m_h/2 区域，ILC的敏感度覆盖了大部分耦合非零的参数空间，尤其适用于标量和费米子暗物质。
• 在 m_DM ≥ m_h/2 区域，仅当耦合常数较大时才可探测，且通过更先进的分析技术可进一步提升信背比。
• ILC的探测范围与XENON100和SuperCDMS等直接探测实验存在重叠，当 m_DM < m_h/2 时，可实现对希格斯门户耦合的非平凡交叉验证。
• 目前的直接探测实验（CDMS II、XENON100）已排除了ILC在 m_DM ≥ m_h/2 区域可探测的大部分参数空间，但通过改进分析方法，可能进一步提升ILC的探测敏感度。