[论文解读] The Higgs Portal and Cosmology

K. Assamagan, Chien-Yi Chen+20 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出，希格斯门户相互作用——即标准模型希格斯 boson 与新物理之间的耦合——为解决两个主要宇宙学难题提供了一个统一框架：通过电弱重子生成机制解释暗物质丰度和重子不对称性。研究表明，此类门户可实现强烈的电弱一阶相变与 CP 破坏，同时支持可行的暗物质候选者，并在 LHC 及未来对撞机（如 FCC-hh 和 ILC）中产生可观测信号。

ABSTRACT

Higgs portal interactions provide a simple mechanism for addressing two open problems in cosmology: dark matter and the baryon asymmetry. In the latter instance, Higgs portal interactions may contain the ingredients for a strong first order electroweak phase transition as well as new CP-violating interactions as needed for electroweak baryogenesis. These interactions may also allow for a viable dark matter candidate. We survey the opportunities for probing the Higgs portal as it relates to these questions in cosmology at the LHC and possible future colliders.

研究动机与目标

• 研究希格斯门户相互作用如何同时解决宇宙中暗物质丰度与重子不对称性的起源问题。
• 识别可行的理论模型（如实单重态与复三重态），其中希格斯门户耦合可产生强烈的电弱一阶相变与 CP 破坏。
• 描绘这些具有宇宙学动机的场景在 LHC 及未来对撞机（如 ILC、FCC、CEPC）中的可探测对撞机信号。
• 评估未来高能对撞机探测希格斯门户在电弱重子生成与暗物质产生中作用的潜力。
• 通过识别关键可观测量（如修改的希格斯自耦合、隐形希格斯衰变以及奇异希格斯衰变道）为实验搜索提供指导。

提出的方法

• 分析包含希格斯门户耦合至标量单重态与复三重态的有效场论模型，重点关注其对电弱相变与 CP 破坏的影响。
• 应用来自宇宙学观测的约束，包括重子与光子比 $Y_B = (8.59 \pm 0.11) \times 10^{-11}$，以缩小可行参数空间。
• 评估对撞机信号特征，如隐形希格斯衰变（$h \to \chi\chi$）、修改的希格斯自耦合，以及奇异衰变如 $h_2 \to h_1 h_1 \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$、$b\bar{b}\gamma\gamma$ 和 $b\bar{b}b\bar{b}$。
• 评估这些信号在 14 TeV LHC 与 100 fb⁻¹ 亮度下的发现潜力，特别是针对 $H^+H^0_2 \to b\bar{b}\tau\nu$ 通道的三重态模型。
• 考虑 ILC、FCC-ee、CEPC 与 SppC/FCC-hh 未来对撞机在希格斯自耦合精确测量与信号抑制方面的潜力。
• 利用理论一致性条件（如幺正性、真空稳定性与微扰性）约束模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯门户相互作用能否产生电弱重子生成所必需的强烈一阶电弱相变？
• RQ2 能够同时解释暗物质与重子不对称性的希格斯门户模型，其可探测的对撞机信号特征是什么？
• RQ3 未来对撞机（如 FCC-hh 与 ILC）如何探测希格斯门户在电弱重子生成与暗物质丰度中的作用？
• RQ4 观测到的重子与光子比及暗物质丰度对希格斯门户耦合强度与标量质量施加了何种约束？
• RQ5 在 100 fb⁻¹ 数据下，奇异希格斯衰变如 $h_2 \to h_1 h_1 \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$ 是否可在 LHC 上被观测到？

主要发现

• 希格斯门户与实单重态标量的相互作用可导致强烈的电弱一阶相变与修改的希格斯自耦合，其信号在 LHC 及未来对撞机中可被探测到。
• 在实单重态模型中，通过希格斯产生信号的抑制可在 LHC 与 100 fb⁻¹ 数据下实现发现，且修改的自耦合可在 ILC、FCC-ee 与 CEPC 上被探测。
• 在实三重态模型中，强烈的电弱一阶相变与 CP 破坏是可能的，其信号包括消失的带电轨迹与 $\Gamma(h \to \gamma\gamma)$ 的减少，可在 LHC 上被探测。
• 三重态模型中的 $H^+H^0_2 \to b\bar{b}\tau\nu$ 通道可能在 14 TeV LHC 与 100 fb⁻¹ 数据下被观测到，具体取决于门户耦合 $a_2$ 的符号与大小。
• 奇异衰变链如 $h_2 \to h_1 h_1 \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$、$b\bar{b}\gamma\gamma$ 与 $b\bar{b}b\bar{b}$ 是 LHC 上可行的搜索通道，其发现显著性取决于模型参数。
• 未来对撞机如 FCC-hh 与 SppC 对隐形希格斯衰变与修改的自耦合具有增强的灵敏度，尤其适用于未饱和暗物质丰度的模型。