[논문 리뷰] Charged Higgs Pair Production in THDM Through Photon-photon Collisions at the ILC

N. Sönmez|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 나무 수준에서 두 히iggs 이중체 모형(THDM) 내에서 국제 선형 충돌기(ILC)에서 광자-광자 충돌을 통한 채워진 히iggs 보손 쌍 생성을 조사한다. m_H± = 100 GeV/c²일 때 √s = 650 GeV에서 총 통합 단면적의 피크가 1.4 pb에 도달함을 발견하여, ILC가 표준 모형을 초월한 새로운 물리 현상의 서명으로 채워진 히iggs 보손을 탐지할 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나무 수준에서 두 히iggs 이중체 모형(THDM) 내에서 γγ → H⁺H⁻의 채워진 히iggs 쌍 생성을 분석하기.
• 중심 질량 에너지 및 히iggs 질량에 따른 H⁺H⁻의 생성률과 각도 분포를 평가하기.
• 백산산 광자로부터 유도된 광자 루미노시티와의 컨볼루션을 통해 e⁺e⁻ 충돌기에서의 총 통합 단면적을 추정하기.
• ILC에서 채워진 히iggs 보손의 발견 가능성을 표준 모형을 초월한 새로운 물리 현상의 탐색 수단으로 평가하기.
• 특히 저질량 채워진 히iggs 보손에 대한 향후 실험적 탐색을 위한 벤치마크 결과 제공하기.

제안 방법

• 스칼라 포텐셜 파라미터와 요카다 쿠플링을 사용하여 THDM 내에서 γγ → H⁺H⁻의 나무 수준 앰플리튜드를 계산한다.
• 광자와 양성 히iggs 보손 사이의 산산각에 따른 미분 단면적을 계산한다.
• 다양한 중심 질량 에너지 및 히iggs 질량에 대해 γγ → H⁺H⁻의 총 통합 단면적을 평가한다.
• Compton 역산산을 통한 e⁺e⁻ 충돌에서 유도된 광자 루미노시티 함수와 γγ → H⁺H⁻ 부분반응을 컨볼루션한다.
• 0.5에서 2 TeV의 중심 질량 에너지 범위에서 tanβ 및 m_H±와 같은 벤치마크 파라미터에 대해 수치 분석을 수행한다.
• 운동량 제약 조건과 피카르도 다이어그램(t-채널 및 u-채널)을 사용하여 생성 역학 및 단면적 행동을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THDM의 나무 수준에서 ILC에서 γγ 충돌을 통한 채워진 히iggs 쌍(H⁺H⁻)의 생성률은 어떻게 되는가?
• RQ2 광자와 H⁺ 보손 사이의 산산각에 따라 미분 단면적은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 다양한 중심 질량 에너지 및 히iggs 질량에 대해 e⁺e⁻ → γγ → H⁺H⁻의 총 통합 단면적은 얼마인가?
• RQ4 어느 중심 질량 에너지와 히iggs 질량에서 단면적이 피크에 도달하며, m_H±에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 특히 저질량 시나리오에서 ILC는 채워진 히iggs 보손을 높은 유의미성으로 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• γγ → H⁺H⁻의 미분 단면적은 전방 및 후방 각도(θ ≈ 0°)에서 피크를 이룹니다. 이는 빔 방향에서의 강화된 생성을 나타냅니다.
• e⁺e⁻ → γγ → H⁺H⁻의 총 통합 단면적은 m_H± = 100 GeV/c²일 때 √s = 650 GeV에서 최대 1.63 pb에 도달합니다.
• 단면적은 저질량의 채워진 히iggs 보손과 저에너지 중심 질량 에너지에서 가장 높으며, √s = 650 GeV에서 최대 1.4 pb에 도달합니다.
• √s = 1 TeV일 때 단면적은 약 0.9 pb로 감소하고, √s = 2 TeV일 때는 더 느리게 감소함을 보여, 에너지 증가에 따라 서서히 감소하는 경향을 보입니다.
• 2D 단면적 맵에 따르면, 저질량 및 저에너지 영역(m_H± ≈ 100 GeV/c², √s ≈ 0.5 TeV)에서 단면적은 최대 3.75 pb에 이릅니다.
• 단면적 맵의 왼쪽 상단 영역에서는 고질량 m_H±와 저에너지 √s에 해당하는 영역에서 운동역학적으로 금지되어 있습니다.