[論文レビュー] Searching for a CP-odd Higgs via a pair of gauge bosons at the LHC

Abdesslam Arhrib, Rachid Benbrik+1 more|ArXiv.org|Oct 15, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、MSSMおよび2HDMにおけるCP奇性ヒッグス粒子の、ゲージボソン対（WW、ZZ、Zγ、γγ）への崩壊について、フェルミオンおよび超対称粒子を含む一次ループファインマン図を用いて包括的な研究を提示する。主な結果として、直接的な実験的探索が可能な明確なシグネチャ（例：四レプトン最終状態）を伴う、崩壊振幅および branching ratio の完全な解析的表現が得られた。

ABSTRACT

The CP-odd Higgs boson $A^0$ of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and Two Higgs Doublet Model (2HDM) will usually decay into the heaviest possible fermion -- antifermion pair available. The $A^0 o VV$ decay where, $V =γ, Z, W^\pm$, and gluons are of particular interest as they are not allowed at tree level and hence they may offer information about the underlying new physics that enters at one loop level. In this paper all branching ratios of the CP-odd Higgs boson $A^0$ both in the MSSM and 2HDM are presented for this channel including all relevant Standard Model (SM) and MSSM particles. This discovery channel might provide an opportunity to search for a CP-odd Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC) and new physics beyond the Standard Model. Expressions for these decays are given in the Appendices.

研究の動機と目的

• CP奇性ヒッグス粒子 $A^0$ が、MSSMおよび2HDMにおいて、ゲージボソン対（WW、ZZ、Zγ、γγ）に崩壊する branching ratio を体系的に評価すること。
• 標準模型フェルミオンおよび超対称粒子（チャージンオ、ニュートラリノ、スlepton、スクォーク）の寄与を含めた、一次ループレベルでの崩壊振幅の解析的表現を提供すること。
• 四レプトン最終状態 $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$ や $A^0 \to \gamma\gamma$ のような明確なシグネチャを特定することで、LHCにおける実験的探索を可能にすること。
• CP奇性量子数のため、木レベルでは禁止されるループ誘導型カップリングの影響を定量化し、標準模型を超える新しい物理を探索すること。
• すべての $A^0 \to VV$ プロセスについて、しきい値効果およびループ効果を含めた、崩壊幅および branching ratio の完全な公式の提示。

提案手法

• MSSMおよび2HDMのファインマン則を用いて、$A^0 \to VV$ 崩壊の一次ループ振幅を導出。標準模型および超対称粒子をすべて含む。
• テンソル関数 $C_0, C_1, C_2$ を用いて、ループ積分を物理的質量およびカップリングで表現。
• トップクォーク、ボトムクォーク、電荷をもつおよび中性のヒッグスノ、チャージンオ、ニュートラリノ、および電荷をもつヒッグスボソンの寄与を組み込む。
• 2HDMおよびMSSMの寄与を別々に取り扱い、異なるカップリング構造を反映：フェルミオンに対して $g_{A^0 \bar{f}f} = \tan\beta$（または $\cot\beta$）。
• $VV$ 最終状態ごとに、フェルミオンおよびSUSYループ寄与を含めた、$\mathcal{A}_{VV}^{2\textsc{hdm}}$ および $\mathcal{A}_{VV}^{2\textsc{susy}}$ の崩壊振幅を計算。
• 得られた振幅を用いた数値的評価により、$m_{A^0}$、$\tan\beta$、およびスパーティクル質量に依存する branching ratio を算出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSMおよび2HDMにおいて、$A^0 \to WW$、$ZZ$、$Z\gamma$、$\gamma\gamma$ 崩壊の主な一次ループ寄与は何か？
• RQ2 $A^0 \to VV$ の branching ratio は、$m_{A^0}$、$\tan\beta$、およびチャージンオおよびニュートラリノの質量にどのように依存するか？
• RQ3 SMフェルミオンと超対称粒子（例：チャージンオ、ニュートラリノ）の寄与は、$A^0 \to VV$ 崩壊振幅に対してそれぞれどの程度寄与するか？
• RQ4 $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$ シグネチャは、LHCで検出可能になるほど十分に強化可能か？
• RQ5 MSSMおよび2HDMにおいて、ループ誘導型 $A^0 \to VV$ 崩壊の大きさは、主な $A^0 \to \bar{f}f$ 崩壊モードと比べてどの程度か？

主な発見

• CP奇性ヒッグス粒子 $A^0$ の $A^0 \to WW$ および $A^0 \to ZZ$ 崩壊は、$J^{PC} = 0^{+-}$ の量子数のため、木レベルでは禁止されており、純粋にループ誘導型であり、新しい物理の感受性の高いプローブである。
• $A^0 \to \gamma\gamma$ および $A^0 \to Z\gamma$ 崩壊は、電荷をもつフェルミオンおよびチャージンオを含むループ図によって媒介され、振幅は $m_f^2$ および $m_{\tilde{\chi}^\pm}^2$ に比例する。
• MSSMにおいて、チャージンオおよびニュートラリノのループは、特に $\tan\beta \gg 1$ の領域で、$A^0 \to WW$ および $A^0 \to ZZ$ の branching ratio を顕著に増幅させる。
• $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$ 最終状態は、バックグラウンドが極めて少ないゴールドプレートシグネチャを提供し、LHC探索の主要なターゲットである。
• $\tan\beta$ が大きく、チャージンオ質量が軽い場合、MSSMにおいて $A^0 \to \gamma\gamma$ および $A^0 \to Z\gamma$ の branching ratio は通常小さいが、無視できない大きさを示す。
• 本稿では、付録にすべての $A^0 \to VV$ 振幅の完全な解析的表現を提示しており、モンテカルロツールおよび素性研究への直接的な実装を可能にしている。