[论文解读] Phenomenology of the dark matter sector in the 2HDM extended with complex scalar singlet

Juhi Dutta, Gudrid Moortgat‐Pick+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文研究了在复标量单重态扩展的两希格斯双重态模型（2HDMS）作为暗物质的框架，其中单重态的标量和赝标量分量构成一个两分量暗物质候选。该模型通过不发展真空期望值，避免与希格斯 sector 混合，从而保持 2HDM 的希格斯谱。主要结果表明，2HDMS 可满足遗迹密度和直接探测约束，且在未来的 e⁺e⁻ 对撞机上具有可观测潜力，特别是在 √s ≈ 3 TeV 的 2b + /E_T 通道中。

ABSTRACT

The two-Higgs-doublet model augmented with a complex scalar singlet (2HDMS) is a well-motivated candidate for Beyond Standard Model (BSM) Physics. We investigate the dark matter phenomenology of the 2HDMS with the complex scalar singlet as the dark matter candidate. We perform a study of the parameter space allowed by existing theoretical and experimental constraints from dark matter, flavour physics and collider searches. Further, we discuss a few benchmark scenarios to test the discovery potential for the 2HDMS at the HL-LHC and at future high-energy $e^+e^-$ colliders.

研究动机与目标

• 探索在类型 II 2HDM 的次最小扩展中引入一个不获得真空期望值的复标量单重态的暗物质现象学。
• 识别满足理论、宇宙学及实验约束（包括遗迹密度、直接探测、味物理和对撞机搜索）的可行参数区域。
• 评估该模型在 HL-LHC 和未来高能 e⁺e⁻ 对撞机上的发现潜力，特别关注 2b + /E_T 最终态。
• 比较 U(1) 对称性保护情形与 U(1) 破坏情形，突出在暗物质稳定性与现象学上的差异。
• 为未来对撞机研究提供基准点（BP1–BP3），包括在 e⁺e⁻ 对撞机上的信号显著性估计。

提出的方法

• 该模型在类型 II 2HDM 中加入一个不发展真空期望值的复标量单重态，确保不与希格斯双重态混合，从而保持 2HDM 的希格斯谱。
• 复标量单重态提供一个两分量暗物质候选：若 U(1) 对称性未被破坏，其标量与赝标量分量均为稳定。
• 利用 HiggsBounds、HiggsSignals、micrOMEGAs 和 maDDM 应用理论与实验约束，评估遗迹密度、直接探测截面及味物理。
• 在 √s ≈ 3 TeV 的 e⁺e⁻ 对撞机上，基于 5 ab⁻¹ 的积分亮度，通过信号与背景分析计算 2b + /E_T 最终态的信号显著性。
• 构建基准场景（BP1–BP3）以探索不同质量区域与分支比，其中 BP3 聚焦于 U(1) 破坏情形。
• 通过树幅希格斯交换，解析计算直接探测截面，整合核子形式因子与来自类型 II 2HDM 的夸克耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 2HDMS 模型中，满足暗物质遗迹密度与直接探测约束的可行参数区域有哪些？
• RQ2 复标量单重态中不发展真空期望值如何影响希格斯 sector 与暗物质现象学？
• RQ3 该模型在 HL-LHC 与未来 e⁺e⁻ 对撞机上的发现潜力如何，特别是在 2b + /E_T 最终态中？
• RQ4 U(1) 对称性保护与 U(1) 破坏情形在暗物质稳定性、不可见分支比与对撞机信号方面有何差异？
• RQ5 该模型能否解释或容纳观测到的异常，如 95 GeV 过剩或 (g-2) 异常？与现有模型相比表现如何？

主要发现

• 具有复标量单重态作为两分量暗物质候选的 2HDMS 模型满足遗迹密度约束，并在直接探测限制下保持可行。
• 在 U(1) 对称性保护情形（BP1 与 BP2）中，√s ≈ 3 TeV 的 e⁺e⁻ 对撞机上，2b + /E_T 通道在 5 ab⁻¹ 的亮度下达到 1.36σ 的信号显著性，当希格斯到暗物质分支比更高时，显著性提升至 3.65σ。
• 对于 U(1) 破坏情形（BP3），重希格斯的不可见分支比可达 3.9%，在相同亮度下信号显著性约为 2.81σ。
• 由于缺乏额外的轻希格斯共振态，该模型避开了类型 II 2HDM 中的 95 GeV 标量过剩区域，与包含此类共振态的模型形成鲜明对比。
• 直接探测截面通过树幅希格斯交换解析计算，BP3 的质子与中子自旋无关截面分别为 2.66×10⁻¹¹ pb 和 2.79×10⁻¹¹ pb。
• 基准点 BP3 的重希格斯质量为 833.5 GeV，暗物质质量为 428.88 GeV，不可见分支比高达 3.9%，使其成为未来 e⁺e⁻ 对撞机的优先探测目标。