Search for additional scalar bosons within the Inert Doublet Model in a final state with two leptons at the FCC-ee

We present a search for new scalar bosons predicted by the Inert Doublet Model at an <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo></mml:msup> <mml:msup><mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo></mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> machine with centre-of-mass energies <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt> </mml:math> of 240 and 365 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>G</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:math> . Within this model, four additional scalar bosons ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mi>A</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mi>H</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo></mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mi>H</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo></mml:msup> </mml:math> ) are predicted. Due to an additional symmetry, the lightest new scalar, here chosen to be <i>H</i>, is stable and provides an adequate dark matter candidate. The search for pair production of the new scalars is investigated in final states with two electrons or two muons, in the context of the future circular collider proposal, FCC-ee. Building on previous studies in the context of the CLIC proposal, this analysis extends the search to detector-level objects, using a parametric neural network to enhance the signal contributions over the Standard Model backgrounds, and sets projected exclusion and discovery contours in the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>A</mml:mi></mml:msub> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> vs. <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:math> plane. With a total integrated luminosity of 10.8 (2.7) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mtext>ab</mml:mtext> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow> </mml:math> 240 (365) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>G</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:math> , the discovery reach for the model goes up to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>108</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>157</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mrow><mml:mtext>G</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>A</mml:mi></mml:msub> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>G</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:math> at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow> </mml:math> 240 (365) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>G</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:math> . For exclusion, almost the entire phase-space available in the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>A</mml:mi></mml:msub> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> vs. <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:math> plane is expected to be ruled out at 95% CL, reaching up to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi> <mml:mi>H</mml:mi></mml:msub> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>110</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>165</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>G</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:math> .