[论文解读] Towards a way to distinguish between IHDM and the Scotogenic at CLIC

Ivania Maturana-Ávila, M. A. Díaz+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

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一句话总结

本文研究了在紧凑线性对撞机（CLIC）上e⁺e⁻ → η⁺η⁻的对撞信号，以区分惰性希格斯双重态模型（IHDM）与斯科托根模型。通过MadGraph模拟，结果表明，由于额外费米子态（Nᵢ）引起的破坏性干涉，斯科托根模型预测的事件数少于IHDM，这为在两者共享标量场和暗物质候选者的情况下区分这两种模型提供了关键实验手段。

ABSTRACT

A study about the phenomenology of IHDM and Scotogenic model and how the contributions could be very different using the same observable.

研究动机与目标

• 识别一种独特的对撞信号，以区分惰性希格斯双重态模型（IHDM）与斯科托根模型。
• 分析在CLIC上η⁺η⁻末态的产生截面，重点关注斯科托根模型中新型费米子态的作用。
• 评估斯科托根模型中单态费米子（Nᵢ）的存在是否会导致与IHDM预测的可观测偏离。
• 评估CLIC在探测这两种模型之间现象学差异方面的潜力，尽管它们具有相同的标量场结构和类似WIMP的暗物质候选者。

提出的方法

• 使用MadGraph对IHDM和斯科托根模型的e⁺e⁻ → η⁺η⁻过程进行模拟。
• 实施完整的标量势和Z₂对称性约束，以确保两种模型在树图和辐射图层面的稳定性。
• 采用一个基准参数点，具体参数为：m₂ = 800 GeV，MN₁ = MN₂ = 800–1000 GeV，MN₃ = 1000 GeV，λ₅ ≈ 10⁻⁹，ν₁质量在[0, 0.001] GeV范围内。
• 应用斯科托根模型中的单圈中微子质量公式：Mν,ij = (hᵢₖhⱼₖ / 32π²Mₖ) × [m²_R / (m²_R − M²_Nₖ) log(m²_R / M²_Nₖ) − m²_I / (m²_I − M²_Nₖ) log(m²_I / M²_Nₖ)]。
• 在CLIC的中心系能量范围内，比较两种模型的事件率。
• 通过选择与中微子质量生成和稳定性一致的参数，确保Z₂对称性在接近8 TeV的能量尺度内保持不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CLIC上，e⁺e⁻ → η⁺η⁻过程能否区分IHDM与斯科托根模型？
• RQ2 斯科托根模型中额外的单态费米子（Nᵢ）如何影响η⁺η⁻产生截面，相较于IHDM？
• RQ3 与IHDM相比，Nᵢ态引起的破坏性干涉在多大程度上抑制了斯科托根模型中的事件率？
• RQ4 是否存在参数选择使得两种模型在CLIC上的事件数显著不同？
• RQ5 该信号是否可作为清洁的实验判据，用于区分标量场结构相同但费米子内容不同的模型？

主要发现

• 在所研究的能量范围内，斯科托根模型预测的e⁺e⁻ → η⁺η⁻事件数少于IHDM，这是由于Nᵢ费米子态引起的破坏性干涉所致。
• 斯科托根模型中的事件率（图3中的紫色点）位于IHDM预测值（蓝线）之下，表明存在可测量的抑制效应。
• 当λ₅ ≈ 10⁻⁹且Mₙ₁,₂ ≈ 800–1000 GeV时，抑制效应最为显著，这与中微子质量生成一致。
• 即使两种模型共享相同的标量场和暗物质候选者，它们仍可通过斯科托根模型中独特的费米子贡献而保持可区分性。
• 结果表明，CLIC可探测到暗区中额外费米子的存在，为检验中微子质量起源提供了途径。
• 本研究证实，e⁺e⁻ → η⁺η⁻信号对模型特异性动力学敏感，特别是斯科托根模型中的圈诱导中微子质量机制。