[论文解读] Probing the dark sector via searches for invisible decays of the Higgs boson at the ILC

Yuji Katō|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文评估了国际线性对撞机（ILC）结合国际大型探测器（ILD）通过胶子衰变探测暗物质的能力。在√s = 250 GeV和500 GeV下使用全量探测器模拟，其在95%置信水平下对Higgs玻色子隐形衰变分支比的上限为0.23%，优于高亮度LHC（HL-LHC）前景的10倍，展示了ILC在低质量暗物质探测中卓越的灵敏度。

ABSTRACT

Although the existence of Dark Matter (DM) has been suggested by various astrophysical observations, it has not yet been discovered today. We can assume a scenario in which the particles that account for the DM can interact with the Standard Model particles only through their couplings with the Higgs sector, the so-called Higgs-portal model. This model can be investigated by collider experiment using the invisible decay of Higgs boson. In this study, we evaluate the search ability of International Linear Collider (ILC) for invisible decay of the Higgs using International Large Detector (ILD) full detector simulation. We estimate 95% C.L. upper limit (UL) on the branching ratio of invisible Higgs decays and compare them between two center-of-mass energy conditions: $\\sqrt{s} = 250$ GeV and 500 GeV. In addition, we describe the complementarity of lepton collider experiment to the direct detection experiment about DM search ability.

研究动机与目标

• 评估国际线性对撞机（ILC）结合ILD探测器对Higgs玻色子隐形衰变的探测灵敏度。
• 比较ILC在√s = 250 GeV和500 GeV下对隐形Higgs衰变的发现潜力。
• 评估类似ILC的轻子对撞机实验与直接探测实验在探测暗物质方面的互补性。
• 量化ILC通过隐形Higgs衰变分支比约束Higgs-门户暗物质模型的能力。

提出的方法

• 使用Mokka/DD4Hep和基于Geant4的ILD探测器模型，在√s = 250 GeV和500 GeV下进行全量探测器模拟。
• 在Marlin框架中使用PandoraPFA算法进行事件重建，以高分辨率重建粒子和喷注。
• 对轻子应用多变量隔离标签（MVA），并施加对粒子流对象（PFOs）、轨迹多重性和喷注运动学的选征条件。
• 通过重建反冲质量识别Higgs玻色子，方法为在e+e− → ZH过程中通过缺失能量识别H → 隐形衰变，Z → q̄q。
• 通过在反冲质量区间内对信号进行均方根组合来估算显著性，随后基于10%分支比信号的显著性计算95%置信水平上限。
• 在信号和背景模拟中纳入束流辐射、初态辐射和γγ背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用ILD探测器的情况下，ILC在√s = 250 GeV和500 GeV下对隐形Higgs衰变的灵敏度如何？
• RQ2 ILC在探测隐形Higgs衰变方面相较于HL-LHC前景的表现如何？
• RQ3 束流极化以及Z → q̄q与Z → l̄l衰变模式在提升对隐形Higgs衰变探测灵敏度方面起到什么作用？
• RQ4 ILC在探测暗物质方面与直接探测实验相比如何，特别是在低质量暗物质方面？
• RQ5 ILC通过隐形Higgs衰变分支比能多大程度上探测Higgs-门户模型？

主要发现

• 在√s = 250 GeV下，隐形Higgs衰变分支比的95%置信水平上限为0.23%，显著优于HL-LHC前景的1.9%。
• 在√s = 250 GeV下的灵敏度约为HL-LHC的10倍，其中强子Z → q̄q通道对灵敏度贡献最大。
• 当结合两种束流极化配置时，√s = 500 GeV下的上限改善至0.78%，但由于事件率降低，灵敏度仍低于250 GeV。
• ILC的洁净环境和反冲质量技术使其能够高精度测量缺失能量，因此特别适合探测隐形Higgs衰变。
• 如ILC等对撞机实验与直接探测实验具有互补性，尤其在低质量暗物质（低于~10 GeV）探测方面具有更优的灵敏度。
• ILC在暗物质探测方面的覆盖范围与其它轻子对撞机项目相当，凸显其在探测Higgs-门户模型中的独特作用。