中性自然性模型的对撞机和宇宙学检验

The large hadron collider (LHC) has not yet found any new physics so far. This raises a new problem in naturalness models: missing top partner problem, in which the top partner is crucial ingredient in supersymmetry and composite Higgs models. A new scenario proposed in 2015, the so-called neutral naturalness, starts to attract attentions. It suggests that the top partner is not charged under the quantum chromodynamics (QCD) or the standard model (SM) gauge group, and thus the neutral top partner could escape from current LHC searches. On the other hand, the top partner carries charge under hidden QCD or hidden gauge group, which brings unique collider and cosmological signatures. We propose to study proporties of the Higgs boson, shape of the Higgs potential, smoking-gun signatures of the neutral top partner, the dark shower and the displaced vertices signature at future colliders. These provide novel signatures and new directions for future CEPC and SppC colliders. Furthermore, current models of neutral naturalness have not yet accommodated origin of matter-antimatter asymmetry and origin of the neutrino mass. We plan to extend current models to includes baryogenesis or leptogenesis, and CP violation in hidden sector. Finally, we propose to study various dark matter candidates, and possible dark radiation, interactions between dark matter and dark radiation, and its impact on cosmological evolution at early universe. This new scenario on dark matter-dark radiation could shed light on dark matter searches, which could be testified at future CMB experiment.

目前大型强子对撞机（LHC）并没有发现各种期待已久的粒子，例如顶夸克伴子，人们开始建议超对称或复合希格斯中存在色中性（或标准模型中性）的顶夸克伴子，以解释LHC实验的零结果，这一类模型被统称为中性自然性模型。这一模型中顶夸克伴子携带隐藏规范群荷，这提供了独特的对撞机和宇宙学信号。申请人计划研究这一类模型中希格斯的性质，希格斯势能形状及其测量，中性顶夸克伴子的的暗簇射信号和位移顶点测量，预测100TeV对撞机上发现这一模型的能力，为CEPC和SppC提供新的科学目标。同时，目前中性自然性模型的研究中并没有提供物质反物质不对称性和中微子质量来源，因此申请人计划对这一类模型进行扩展，以容纳隐藏部分的CP破坏和重子或轻子生成。最后，申请人计划研究隐藏规范群下的暗物质和暗辐射粒子，暗物质-暗辐射间相互作用，及其对宇宙演化的影响，这拓宽了暗物质寻找的思路，并可以在下一代CMB实验上进行检验。

中性自然性模型提供了希格斯质量的自然性新的解释，在本项目基金的资助期间，提出新的最小中性自然性模型，并在额外维度上实现这一最小中性自然性；提出了衍生最大对称性，应用于复合希格斯、额外维度模型、中性自然性模型；提出孪生cogenesis模型，同时解释中微子质量起源、轻子生成、不对称暗物质；在有效场论的框架下系统研究中性自然性模型和复合希格斯模型中希格斯的耦合形式、希格斯势能形状的一般特征；在有效场论的观点下描述各种可能的希格斯势能形式，系统地研究双希格斯产生来区分不同的希格斯的本质；对中性自然性模型中的希格斯物理信号进行系统研究，并预测CEPC和未来100 TeV对撞机上发现中性自然性模型的能力。资助期间在国际期刊发表相关论文11篇（其中PRL一篇、PRD三篇、JHEP三篇、CPC一篇、已接受一篇、另有待发表两篇），培养博士生3名、硕士生2名，指导5名博士后（其中3人出站、2人在站），参加多次国内外的学术活动，被多次邀请做相关于此课题的学术报告。