[논문 리뷰] A two-Higgs-doublet interpretation of a small Tevatron $Wjj$ excess

John F. Gunion|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 테바트론 데이터에서 관측된 소규모 $Wjj$ 초과 현상이 $\tan\beta \lesssim 1/5$인 작은 값을 가진 타입-II 두 히iggs 듀블릿 모델(2HDM)으로 설명될 수 있다고 제안한다. 여기서 무거운 CP-홀드 히iggs 보손 $A$는 $A \to H^\pm W^\mp$ 및 $H^\pm \to cs$ 붕괴를 통해 $Wjj$ 신호를 생성한다. 이 모델은 테바트론에서 약 1–2 pb 수준의 횡단단면을 가지며, 루프에서의 양자수정 보정을 고려한 계산을 통해 LHC에서의 검출 가능성을 보장한다. 또한 $\gamma\gamma$ 및 $W^+W^-b\bar{b}$ 최종 상태에서 연관된 신호를 예측하며, 이는 기존 LHC 데이터로 검증 가능하다.

ABSTRACT

We show that a $Wjj$ excess in Tevatron data could be explained in the context of the standard non-supersymmetric two-Higgs-doublet model for appropriately chosen parameters. Correlated signals in the $γγ$ and $W^+ W^- b \anti b$ final states are predicted and are on the verge of being detectable. The proposed model is most attractive if the cross section for the $Wjj$ excess is $\lsim 1-2\pb$.

연구 동기 및 목표

• 테바트론 데이터에서 관측된 $Wjj$ 초과 현상—특히 $M_{jj} \sim 140~{\rm GeV}$ 영역에서—이 비초기 대칭성 두 히iggs 듀블릿 모델(2HDM)으로 설명될 수 있는지 탐구한다.
• 비초기 대칭성 2HDM의 타당한 매개변수 공간을 규명하여, 비정상적인 톰-쿼크 양자수정 상수를 요구하지 않고도 관측된 $Wjj$ 횡단단면을 재현할 수 있도록 한다.
• LHC에서 검증 가능한 연관된 $\gamma\gamma$ 및 $W^+W^-b\bar{b}$ 최종 상태의 신호를 예측한다.
• 정밀 전자약력학 제약 조건과 맛 변화 중성미자 힘(FCNC) 억제 조건 하에서 이 모델의 타당성을 평가한다.

제안 방법

• 트리 수준 FCNC를 피하기 위해 표준 양자수정 상수를 가진 타입-II 2HDM을 채택하며, $\sin(\beta - \alpha) = 1$을 고정하여 경량 CP-짝성 히iggs($h$)가 $m_h = 115~{\rm GeV}$에서 표준모형(SM) 유사 성질을 가지도록 한다.
• NLO 및 NNLO 보정을 포함한 HIGLU와 비공개 프로그램을 통해 $gg \to A$ 생성 횡단단면을 계산하며, $\tan\beta < 1$일 경우 페르미온과의 결합이 큰 $\cot\beta$ 보정 효과로 인해 증폭됨을 고려한다.
• $A \to H^\pm W^\mp$ 및 $H^\pm \to cs$ 또는 $t^*b$ 붕괴의 분해율을 계산하며, $H^\pm \to t^*b \to W^+b\bar{b}$의 비구속 상태 $t^*$ 붕괴를 포함하여 $Wjj$ 및 $WWbb$ 최종 상태를 모델링한다.
• $\gamma\gamma$ 및 $W^+W^-b\bar{b}$ 최종 상태의 횡단단면을 평가하여, $m_A \sim 250-300~{\rm GeV}$일 경우 상관관계가 있으며 LHC에서 검출 가능하다는 것을 보여준다.
• 모델 예측을 CDF 및 D0 데이터와 비교하여, $1-2~{\rm pb}$ 수준의 $Wjj$ 횡단단면이 비정상적인 톰-쿼크 양자수정 상수 없이도 타당하다는 것을 확인한다.
• 제4세대 페르미온 쌍이 $gg \to A$ 횡단단면에 미치는 영향을 고려하여, 횡단단면이 증가하지만 여전히 $\tan\beta$가 제한되어 있어 양자수정 상수가 유지됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 $\tan\beta$를 가진 타입-II 2HDM이 비정상적인 톰-쿼크 양자수정 상수를 요구하지 않고 테바트론 데이터에서 관측된 $Wjj$ 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 제안된 2HDM 시나리오에서 연관된 $\gamma\gamma$ 및 $W^+W^-b\bar{b}$ 최종 상태의 예상 횡단단면은 얼마인가?
• RQ3 $gg \to A$ 생성 횡단단면은 테바트론에서 LHC로 어떻게 스케일링되며, 언제 모델이 명확히 검증되거나 배제될 수 있는가?
• RQ4 $m_{H^\pm} \sim 140~{\rm GeV}$에서 $H^\pm \to cs$ 및 $H^\pm \to t^*b$의 붕괴 비율은 얼마이며, 이는 $Wjj$ 및 $WWbb$ 최종 상태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 LHC에서 $Wjj$, $\gamma\gamma$, $W^+W^-b\bar{b}$ 신호 간의 상호작용을 통해 이 모델이 표준모형 및 기타 블랙스페이스 모형과 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 테바트론에서 $\sim 1-2~{\rm pb}$ 수준의 $Wjj$ 초과 현상은 $m_A \sim 250-300~{\rm GeV}$ 및 $\tan\beta \lesssim 1/5$인 타입-II 2HDM으로 설명 가능하며, 비정상적인 톰-쿼크 양자수정 상수를 피한다.
• $m_A = 250~{\rm GeV}$ 및 $\tan\beta = 1/5$일 때 $gg \to A$ 횡단단면은 $3.9~{\rm pb}$에 도달하며, 이는 $BR(H^\pm \to cs) \sim 0.2$와 함께 $Wjj$ 신호를 설명하는 데 충분하다.
• 이 모델은 $A$ 보손의 $\gamma\gamma$ 반응률의 약 30%–40% 수준의 연관된 $\gamma\gamma$ 신호를 예측하며, $m_H \neq m_A$가 10~{\rm GeV} 이상일 경우 별개의 피크로 검출 가능하다.
• $m_A = 250~{\rm GeV}$ 및 $\tan\beta = 1/5$일 때 약 $2.8~{\rm pb}$ 수준의 중요한 $W^+W^-b\bar{b}$ 신호가 예측되며, 이는 $Wjj$ 신호보다 크며 직접 $t\bar{t}$ 생성보다는 작지만 여전히 검출 가능하다.
• LHC에서의 $Wjj$ 횡단단면은 테바트론 대비 약 40배 증폭되어 $L = 1~{\rm fb}^{-1}$의 통합 루미노사티로 검증 가능하다.
• 이 모델은 최소 초기 대칭 표준모형(MSSM)과 일치하지 않으며, 요구되는 $m_A \sim 250-300~{\rm GeV}$ 및 $\tan\beta \lesssim 1/5$ 조건은 MSSM 프레임워크 내에서 실현 불가능하다.