[논문 리뷰] $H^\pm o cb$ in models with two or more Higgs doublets

A. G. Akeroyd, Stefano Moretti외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자연스러운 풍미 보존 조건을 만족하는 3HDM에서 $H^{/pm}$ 붕괴의 감도를 향상시키기 위해 $H^{/pm} \to cb$ 붕괴에서 발생하는 바텀 쿼크를 태그하는 방법을 제안한다. 이는 3HDM에서 붕괴의 80%까지 지배할 수 있다. 이 방법은 표준 $H^{/pm} \to cs$ 탐색 대비 신호 대 배경 비율을 약 2.13배 향상시키며, 페르미온 결합 상수에 대한 더 강력한 제약 조건을 가능하게 하고, $m_{H^{/pm}} < m_t$ 조건에서 $H^{/pm} \to cb$의 발견 가능성을 높인다. 이 접근법은 정렬된 2HDM에 직접 적용 가능하며, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 드러낼 수 있다.

ABSTRACT

Searches for light $H^\pm$s via $t o H^\pm b$ are being carried out at the LHC. Herein, it is normally assumed that the dominant decay channels are $H^\pm o τν$ and $H^\pm o cs$ and separate data analyses are performed with comparable sensitivity to the underlying model assumptions. However, the $H^\pm o cb$ decay rate can be as large as $80\%$ in models with two or more Higgs doublets with natural flavour conservation, while satisfying the constraint from $b o sγ$ for $m_{H^\pm}&lt; m_t$. Despite the current search strategy for $H^\pm o cs$ is also sensitive to $H^\pm o cb$, a significant gain in sensitivity could be obtained by tagging the $b$ quark from the decay $H^\pm o cb$.

연구 동기 및 목표

• 다중 힉스 이중체 모델에서 현재 LHC 탐색이 $H^\pm \to cb$ 붕괴에 대해 제한된 감도를 보이는 문제를 다루기 위해.
• 기존의 $t \to H^\pm b$ 및 $H^\pm \to cs$ 탐색 전략을 확장하여 $H^\pm \to cb$ 붕괴에서 발생하는 $b$ 쿼크를 태그하는 실용적인 방법을 제안하기 위해.
• $H^\pm \to cb$ 붕괴의 분해비가 높을 경우, 특히 자연스러운 풍미 보존 조건을 만족하는 3HDM에서 $b$-태그가 $H^\pm \to cb$에 대한 감도를 크게 향상시킨다는 것을 입증하기 위해.
• $H^\pm \to cb$ 붕괴 정보를 활용하여 3HDM에서 $X$ 및 $Y$ 요카다 결합 상수 파rameter를 제약 조건화하는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 페르미온 질량이 세 개의 별개의 진공 기대값(VEVs)으로 기인하는, 민주적 요카다 구조를 가진 3히iggs 이중체 모델(3HDM)을 분석한다.
• 충전 힉스 질량 행렬은 $3 \times 3$ 유니터리 혼합 행렬 $U$를 통해 대각화되며, $H^\pm_2$는 가장 가벼운 충전 힉스 상태로 식별된다.
• 요카다 결합은 $X = U_{12}/U_{11}$, $Y = -U_{22}/U_{21}$, $Z = U_{32}/U_{31}$로 매개변수화되며, $b \to s\gamma$ 및 $Z \to b\bar{b}$ 과정으로부터 제약 조건을 받는다.
• 신호는 $t \to H^\pm b$ 이후 $H^\pm \to cb$ 붕괴로 구성되며, $H^\pm$ 붕괴에서 발생하는 $b$ 쿼크를 태그하여 배경를 억제한다.
• 신호 대 배경 비율 향상 정도는 $b$-태그 효율성 $\epsilon_b = 0.5$, $c$-쿼크 오태그 비율 $\epsilon_c = 0.1$, 경량 쿼크 오태그 비율 $\epsilon_j = 0.01$를 사용하여 $S/\sqrt{B}$ 기반으로 추정되며, 이로 인해 약 2.13배 향상된다.
• 신호 영역에 $b$-태그 적용 여부를 비교하여, $b$-태그가 $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.5\%$ 조건에서도 감도를 확보할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $H^\pm \to cb$ 붕괴에 대한 감도 향상에 있어, $t \to H^\pm b$ 사건에서 $b$ 쿼크 태그가 다중 힉스 이중체 모델에서 의미 있는 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 LHC에서 $t \to H^\pm b$ 탐색의 맥락에서 $H^\pm \to cb$ 붕괴에 $b$-태그를 적용했을 때, 신호 대 배경 비율의 정량적 향상 정도는 어떠한가?
• RQ3 $b \to s\gamma$ 및 $Z \to b\bar{b}$ 제약 조건을 만족하면서도 $H^\pm \to cb$ 붕괴가 지배적인 $[|X|, |Y|]$ 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ4 $H^\pm \to cb$ 붕괴가 지배적일 경우, 현재 LHC에서의 $\text{BR}(t \to H^\pm b)$ 제약 조건과 $b \to s\gamma$ 제약 조건 간의 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ5 $H^\pm \to cb$ 붕괴 분해비가 80%에 이르는 3HDM 및 정렬된 2HDM에서 $b$-태그가 $H^\pm \to cb$의 발견 또는 더 강력한 제약 조건을 가능하게 하는가?

주요 결과

• $b$-태그 방법은 경량 쿼크 및 $c$-쿼크의 오태그 비율 감소로 인해 표준 $H^{/pm} \to cs$ 탐색 대비 약 2.13배의 신호 대 배경 비율 향상을 이룬다.
• 3HDM에서 $|X| \gg |Y|, |Z|$ 조건을 만족할 경우, $H^\pm \to cb$ 붕괴 분해비는 최대 80%까지 도달할 수 있으며, $m_{H^{/pm}} < m_t$ 조건에서 $b \to s\gamma$ 제약 조건도 만족할 수 있다.
• 현재 LHC에서의 $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.02$ 제약 조건은 $b \to s\gamma$ 제약 조건으로는 제거되지 않는 매개변수 공간 영역을 배제한다. 특히 $15 < |X| < 40$ 및 $0 < |Y| < 0.04$ 영역, 그리고 $0 < |X| < 4$ 및 $0.3 > |Y| > 0.8$ 영역에서 그렇다.
• $H^\pm \to cb$ 붕괴에서 발생하는 $b$ 쿼크를 태그하면 $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.5\%$ 조건에서도 감도를 확보할 수 있으며, 이는 이전에는 접근 불가능했던 영역에서 $H^\pm \to cb$의 발견 가능성을 열어준다.
• 결과는 정렬된 2HDM(A2HDM)에 직접 적용 가능하며, $m_{H^\pm} < m_t$ 조건에서 $\text{BR}(H^\pm \to cb)$가 매우 높을 수 있다. 반면, 타입 I, II, IV 2HDM에서는 $V_{cb}$가 작아서 동일한 향상이 불가능하다.
• 이 방법은 $H^\pm \to cb$ 붕괴 서명을 통해 $X$ 및 $Y$ 요카다 결합 상수를 제약 조건화함으로써 3HDM 및 A2HDM의 타당성을 명확히 테스트할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.