[论文解读] TRSM Benchmark Planes -- Snowmass White Paper

Tania Robens|arXiv (Cornell University)|May 28, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本白皮书提出了两倍实单重态模型（TRSM）中的基准平面，该模型是标准模型的 Z₂⊗Z₂′ 对称性扩展，包含一个与标准模型相似的双重态与两个实单重态混合而成的三个 CP 偶 Scalars。它识别出关键的产生与衰变道——尤其在未来的 e⁺e⁻ Higgs 原型机中——表明 Z h₁₂₅ 和 Z h₂/₃ 的产生，随后发生 Higgs 衰变，可产生约 10–18 fb 的可观测截面，从而实现对轻标量共振态的发现。

ABSTRACT

In this whitepaper, I briefly review the Benchmark Planes in the Two-Real-Singlet Model (TRSM), a model that enhances the Standard Model (SM) scalar sector by two real singlets that obey a $\mathbb{Z}_2\,\otimes\,\mathbb{Z}_2'$ symmetry. In this model, all fields acquire a vacuum expectation value, such that the model contains in total 3 CP-even neutral scalars that can interact with each other. All interactions with SM-like particles are inherited from the SM-like doublet via mixing. I remind the readers of the previously proposed benchmark planes, and briefly discuss possible production at future Higgs factories.

研究动机与目标

• 定义并分析两倍实单重态模型（TRSM）中的基准情景，以捕捉目前 LHC 搜索尚未覆盖的非标准 Higgs 产生与衰变模式。
• 识别未来 √s ≈ 250 GeV 的 e⁺e⁻ Higgs 原型机中轻与重 Higgs 标量的可行产生通道。
• 评估探测如 h₃ → h₁h₂ 或 h₂ → h₁h₁ 这类奇异 Higgs 衰变链（通过 Z h 辐射）的可行性。
• 为未来对撞机实验提供 Z h 产生与衰变分支比的定量截面估计。

提出的方法

• TRSM 标量势包含一个与标准模型相似的 Higgs 双重态 Φ 和两个实单重态 S、X，其 Z₂⊗Z₂′ 对称性确保所有场获得真空期望值，并混合成三个物理 CP 偶标量 h₁、h₂、h₃。
• 质量本征态按质量排序：M₁ ≤ M₂ ≤ M₃，混合由旋转矩阵控制；与标准模型粒子的耦合由 κᵢ 缩放，其中 ∑κᵢ² = 1，且 |κ₁₂₅| ≥ 0.96 以保证 SM 类 Higgs。
• hₐ 的产生截面通过 σ(Mₐ) = κₐ² × σ_SM(Mₐ) 计算，该公式在 QCD 全阶有效，并通过 Higgs 自相互作用包含完整的电弱修正。
• hₐ → h_b h_c 的衰变分支比通过 Γₐ→bc / [κₐ² Γ_tot(SM) + ∑ₓᵧ Γₐ→ₓᵧ] 计算，总宽度包含所有标准模型与新物理衰变道。
• 基准平面（BP1–BP6）基于哪个标量被识别为 125 GeV 基态以及主导衰变链来定义，后续衰变受运动学约束（如 h₂ → h₁h₁ 若 M₂ > 2M₁）。
• 在 e⁺e⁻ 对撞机（240–250 GeV）上，使用 MadGraph 计算了 Zh 产生的 LO 截面，Z 衰变被因子化以估算末态信号，如 Zb̄b、ZW⁺W⁻ 或 Zb̄bb̄b。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 TRSM 模型中，哪些基准平面会产生目前 LHC 搜索尚未覆盖的 Higgs 共振态，特别是涉及轻标量的衰变链？
• RQ2 在 √s ≈ 250 GeV 的未来 e⁺e⁻ Higgs 原型机中，Z h₁₂₅ 和 Z h₂/₃ 的预期产生截面是多少？与标准模型预期相比如何？
• RQ3 在何种运动学条件下，如 h₃ → h₁h₂ 或 h₂ → h₁h₁ 这类奇异衰变链会占主导地位？它们会产生何种末态？
• RQ4 现有或计划中的 Higgs 原型机搜索能否覆盖 TRSM 基准平面的参数空间，特别是 Zb̄bb̄b 或 ZW⁺W⁻ 这类末态？

主要发现

• 基准平面 BP1–BP6 覆盖了广泛的奇异 Higgs 衰变模式，包括非对称衰变（如 h₃ → h₁h₂）和对称衰变（如 h₃ → h₁h₁ 或 h₃ → h₂h₂），其主导衰变模式由运动学阈值决定。
• 在 250 GeV e⁺e⁻ 对撞机上，Z h₁₂₅ 的产生截面约为 0.2 pb，与标准模型一致，因为所有基准情景中均有 κ₁₂₅ ≥ 0.966。
• 在 BP1 中，Z h₁₂₅ → Z h₁h₂ 的最大截面可达 ∼18 fb，且 h₁₂₅ → h₁h₂ 的分支比对末态贡献显著。
• 对于 Z h₂/₃ 的产生，仅 BP4（h₂ → h₁h₁）和 BP5（h₃ → h₁h₁）的产生率超过 10 fb，因此在 Higgs 原型机中最具发现潜力。
• 在 BP4 和 BP5 中，当运动学条件允许时，主导末态为 Zb̄bb̄b（由于 h₂ → h₁h₁ 或 h₃ → h₁h₁），其分支比在 40–50% 范围内。
• 低于 2M₁ 阈值时，h₂ 和 h₃ 主要衰变为 b̄b，因此标准 Higgs 搜索策略（如 Zb̄b、ZW⁺W⁻）有效，交叉点出现在 M₃ ≈ 135 GeV。