[論文レビュー] Charged Higgs Pair Production in THDM Through Photon-photon Collisions at the ILC

N. Sönmez|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、木レベルの2ヒッグスダブルレットモデル（THDM）における国際線形衝突機（ILC）での光子-光子衝突による荷電ヒッグス対生成を調査する。m_H± = 100 GeV/c²のとき、√s = 650 GeVで全積分断面積が1.4 pbのピークを示し、ILCが標準模型を超える新しい物理の兆候として荷電ヒッグスボソンを検出可能である可能性を示している。

ABSTRACT

In this study, the charged Higgs pair production is analyzed for the minimal extension of the standard model called two-higgs-doublet model. The process $\\gamma\\gamma\ ightarrow H^+H^-$ is calculated at the tree level for the ILC and the numerical analysis is presented for various parameters. The production rate of the charged Higgs boson pair as a function of center-of-mass (CM) energy and the differential cross section as a function of angle between photon and positive charged Higgs boson is presented. The cross section gets high at the low charged Higgs mass and low CM energies. The total integrated cross section of the process is also calculated at a $e^+e^-$-collider by convoluting the $\\gamma\\gamma\ ightarrow H^+H^-$ subprocess with the photon luminosity of the backscattered photons. The total integrated cross section peaks around $\\sqrt{s}=650 \\;\ ext{GeV}$ and have a value of $1.4 \\;\ ext{pb}$ for $m_{H^\\pm}=100\\;\ ext{GeV/c}^2$. Charged Higgs detection is very important sign for the new physics and the results shows the potential of the ILC for the search of the new physics signals.

研究の動機と目的

• 2ヒッグスダブルレットモデル（THDM）における木レベルでの荷電ヒッグス対生成（γγ → H⁺H⁻）を分析すること。
• 中心エネルギーやヒッグス質量の関数として、H⁺H⁻の生成率および角度分布を評価すること。
• e⁺e⁻衝突器におけるγγ → H⁺H⁻をバックスクレーパー光子からの光子フラクション関数と畳み込み、全積分断面積を推定すること。
• ILCにおける荷電ヒッグスボソンの発見可能性を、標準模型を超える新しい物理の探査手段として評価すること。
• 特に低質量の荷電ヒッグスボソンに対する今後の実験的探索のベンチマーク結果を提供すること。

提案手法

• スカラー位相関数パラメータとユカワ結合を用いて、THDMにおけるγγ → H⁺H⁻の木レベル振幅を計算する。
• 光子と正の電荷を帯びたヒッグスボソンの間の散乱角に関する微分断面積を計算する。
• さまざまな中心エネルギーやヒッグス質量におけるγγ → H⁺H⁻の全積分断面積を評価する。
• e⁺e⁻衝突によるコンプトンバックスキャッタリングから導出された光子フラクション関数とγγ → H⁺H⁻過程を畳み込む。
• 0.5〜2 TeVの中心エネルギーレンジにおける、tanβおよびm_H±を含むベンチマークパラメータの数値解析を実施する。
• 運動的制約およびファインマン図（tチャネルおよびuチャネル）を用いて、生成ダイナミクスおよび断面積の挙動をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THDMの木レベルにおいて、ILCにおけるγγ衝突による荷電ヒッグス対（H⁺H⁻）の生成率はいかほどか？
• RQ2 γ光子とH⁺ボソンの間の散乱角に依存する微分断面積はどのように変化するか？
• RQ3 さまざまな中心エネルギーやヒッグス質量におけるe⁺e⁻ → γγ → H⁺H⁻の全積分断面積はどのようになるか？
• RQ4 どの中心エネルギーやヒッグス質量で断面積がピークに達し、m_H±に従ってどのようにスケーリングするか？
• RQ5 特に低質量領域において、ILCは高精度で荷電ヒッグスボソンを検出可能か？

主な発見

• γγ → H⁺H⁻の微分断面積は前向および逆方向散乱角（θ ≈ 0°）でピークを示し、ビーム方向での生成が強化されていることを示している。
• e⁺e⁻ → γγ → H⁺H⁻の全積分断面積は、m_H± = 100 GeV/c²のとき、√s = 650 GeVで最大1.63 pbに達する。
• 断面積は低質量の荷電ヒッグスボソンおよび低中心エネルギーエネルギーで最大となり、√s = 650 GeVで1.4 pbのピーク値を示す。
• √s = 1 TeVでは断面積が約0.9 pbに低下し、エネルギーが増加するにつれて緩やかに減少する傾向を示す。
• 2次元断面積マップでは、低質量・低エネルギー領域（m_H± ≈ 100 GeV/c²、√s ≈ 0.5 TeV）で最大3.75 pbに達する。
• 断面積マップの左上領域では、高質量のm_H±と低√sの組み合わせで運動的制約により生成が禁止されており、物理的に不可能である。