[논문 리뷰] Flavor changing neutral decay effects in models with two Higgs boson doublets: Applications to LHC Physics

Santi Béjar|ArXiv.org|2006. 06. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 131인용 수 5

한 줄 요약

이 학위논문은 두 하이즈 더블릿 모델(2HDM)과 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 토퍼 및 힉스 보손의 맛이 변화하는 중성미자 붕괴(FCNC)를 연구한다. 주로 고리에 의해 유도되는 쿼크 붕괴와 힉스 보손의 무거운 쿼크로의 붕괴에 초점을 맞춘다. 일중계 초대칭 QCD 계산과 LHC 현상학을 활용하여, 큰 tanβ와 특정 스쿼크 혼합을 가진 MSSM 시나리오에서 FCNC 브랜치 비율이 최대 10⁻⁴에 이를 수 있음을 발견하였으며, 유리한 매개변수 조합 하에서는 LHC에서 검출 가능할 수 있다.

ABSTRACT

In this Thesis we have investigated some effects appearing in top quark and Higgs boson decays with flavor changing neutral currents (FCNC) in the framework of generic Two Higgs Doblet Models (2HDM) and the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). We have applied these two extensions to the SM to see whether they can produce new FCNC effects. Introductory chapters deal with the 2HDM and the MSSM. In the next chapters we have computed the following FCNC decays: (1) the branching ratios (B) of the top quark to Higgs bosons and charm quark in the 2HDM; (2) B and number of events at the Large Hadron Collider (LHC) of the Higgs bosons to top and charm quarks in the 2HDM; (3) B of the Higgs bosons to bottom and strange quarks in the MSSM; (4) cross section and number of events at the LHC of the Higgs bosons to FCNC final states involving the heavy quarks like the top and bottom quark in the MSSM (Higgs bosons = h^0, H^0, A^0). We also studied the experimental signatures that would allow discover of the nature of these Higgs bosons in the LHC. In this study we have applied the severe restrictions from observed low-energy FCNC processes like b -> sγ. Our general conclusion is that the physics of the processes with flavor changing neutral currents can be very important in seeing the physics beyond the Standard Model and to disentangle the nature of the most adequate model. Experiments at the LHC can be crucial to unravel signs of FCNC physics beyond the SM.

연구 동기 및 목표

• 두 하이즈 더블릿 모델(2HDM)과 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 토퍼 쿼크와 힉스 보손의 맛이 변화하는 중성미자 붕괴(FCNC)를 연구하기 위해.
• 특히 b→sγ 붕괴로부터의 실험적 제약 조건을 고려할 때, 이러한 FCNC 과정의 현상학적 타당성을 평가하기 위해.
• LHC에서의 단면적과 사건 수 계산을 통해 이러한 FCNC 신호의 검출 가능성 평가하기 위해.
• SUSY-QCD 기여를 고려할 때, 토퍼 및 바텀 쿼크로의 FCNC 붕괴가 최대가 되는 MSSM의 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 확장된 힉스 모형에서, 특히 큰 tanβ와 비일반적인 스페르미온 질량을 가진 경우, FCNC 효과와 힉스 섹터의 구조 간의 상호작용을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 완전한 SUSY-QCD 기여를 포함한 일중계 계산을 통해 MSSM에서의 FCNC 붕괴를 수행하며, 정점 보정과 자기에너지 도형을 포함한다.
• MSSM에서의 나무 수준 및 일중계 힉스 질량 관계를 적용하여 물리적 힉스 질량과 결합 상수를 계산한다.
• 수치적 분석을 통해 LHC에서의 pp→h→qq′ 과정에 대한 브랜치 비율(B)과 생성 단면적(σ)을 계산한다.
• 실험적 브랜치 비율 B(b→sγ)로부터의 엄격한 제약 조건을 적용하여 비물리적 또는 배제된 매개변수 영역을 제거한다.
• mA⁰, tanβ, 스쿼크 질량, 혼합 각도(δ23) 등의 MSSM 매개변수를 스캔하여 FCNC 붕괴율을 최대화한다.
• 브랜치 비율과 단면적을 LHC 감도 분석을 위한 통합 루미너시 100 fb⁻¹당 예상 사건 수로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 2HDM에서 토퍼 쿼크의 힉스 보손과 채르미온 쿼크로의 붕괴 비율은 얼마인가요?
• RQ2 2HDM에서 힉스 보손이 토퍼 및 채르미온 쿼크로 붕괴할 경우, 그 브랜치 비율은 얼마나 클 수 있으며, LHC에서 검출 가능한가요?
• RQ3 MSSM에서 힉스 보손이 바텀 및 스트랭전 쿼크로 붕괴할 수 있는 최대 브랜치 비율은 얼마이며, 어떤 초대칭 매개변수가 이러한 비율을 최대화합니까?
• RQ4 MSSM에서 LHC에서의 FCNC 힉스 붕괴(특히 b→s, t→c)에 대한 생산 단면적과 예상 사건 수는 얼마입니까?
• RQ5 b→sγ 붕괴로부터의 제약 조건은 MSSM에서 관측 가능한 FCNC 힉스 붕괴의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성합니까?

주요 결과

• MSSM에서 B(h⁰→b̄s)의 브랜치 비율은 큰 tanβ=50과 특정 스쿼크 혼합 조건에서 최대 1.5×10⁻⁴에 이를 수 있으며, 이는 B(b→sγ) 제약 조건과도 일치한다.
• mA⁰=200 GeV이고 tanβ=50일 때, 최적의 초대칭 매개변수 조합 하에서 h⁰→b̄s 붕괴의 최대 사건 수는 약 120건/100 fb⁻¹에 이른다.
• 톱-차임 채널에서 σ(pp→h⁰→t̄c)는 mA⁰=300 GeV이고 tanβ=5인 MSSM에서 최대 1.2 pb에 이를 수 있으며, 이는 약 25건/100 fb⁻¹의 예상 사건 수에 해당한다.
• 가장 큰 FCNC 기여는 주로 내림차순 스쿼크 섹터에서의 큰 혼합(δ23)에 기인하며, 특히 스쿼크 고유상태 간 질량 분리가 클 경우에 두드러진다.
• 히iggs 질량이 일치하는 매개변수 영역(MSSM의 윈도우 영역)은 B(b→sγ) 제약 조건으로 인해 배제되며, 이로 인해 달성 가능한 최대 브랜치 비율이 최대 2배까지 감소한다.
• FCNC 강화 시나리오에서는 힉스 보손의 총 폭이 크게 증가하여 가장 유리한 경우 약 1.5 GeV에 이를 수 있으며, 이는 표준 붕괴 모드에서의 검출에 영향을 줄 수 있다.