[논문 리뷰] Searching for a CP-odd Higgs via a pair of gauge bosons at the LHC

Abdesslam Arhrib, Rachid Benbrik외 1명|ArXiv.org|2006. 10. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 MSSM 및 2HDM의 맥락에서 페르미온과 초대칭 입자를 포함한 1-loop 피카르도 다이어그램을 사용하여 CP-홀드 힉스 보손이 가우지 보손 쌍(WW, ZZ, Zγ, γγ)으로 붕괴하는 광범위한 연구를 제시한다. 주요 결과는 붕괴 진폭과 분해비에 대한 완전한 해석식을 제공하여 LHC에서 네트워크-레프레젠테이션과 같은 명확한 서명을 통한 직접적인 실험적 탐색을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CP-홀드 힉스 보손 $A^0$가 MSSM 및 2HDM에서 가우지 보손 쌍(WW, ZZ, Zγ, γγ)으로 붕괴하는 분해비를 체계적으로 평가하는 것.
• 표준모형 페르미온과 초대칭 입자(치어미노, 뉴트랄리노, 루프톤, 스퀘어크) 기여를 포함한 1-루프 수준에서의 붕괴 진폭에 대한 해석식을 제공하는 것.
• LHC에서의 실험적 탐색을 가능하게 하기 위해 $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$ 및 $A^0 \to \gamma\gamma$와 같은 청소년 서명을 식별하는 것.
• 나무 수준에서 금지된 CP-홀드 양자수에 의해 유도되는 루프 기여를 정량화하여 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 것.
• 모든 $A^0 \to VV$ 과정에 대해 붕괴 너비 및 분해비 공식을 완전히 제시하여 임계값 및 루프 효과를 포함하는 것.

제안 방법

• MSSM 및 2HDM의 피카르도 규칙을 사용하여 $A^0 \to VV$ 붕괴의 1-루프 진폭을 유도하며, 모든 관련 표준모형 및 초대칭 입자를 포함한다.
• 루프 적분을 물리적 질량과 결합 상수로 표현하기 위해 Passarino-Veltman 텐서 함수 $C_0, C_1, C_2$를 사용한다.
• 톱 쿼크, 바텀 쿼크, 양성자 및 중성자 힉스노, 치어미노, 뉴트랄리노, 그리고 양성자 힉스 보손의 기여를 통합한다.
• 2HDM 및 MSSM 기여를 별도로 다루며, 각각 다른 결합 구조를 가진다: 페르미온에 대해 $g_{A^0 \bar{f}f} = \tan\beta$ (또는 $\cot\beta$).
• $VV$ 최종 상태 각각에 대해, 페르미온 및 초대칭 루프 기여를 포함한 $\mathcal{A}_{VV}^{2\textsc{hdm}}$ 및 $\mathcal{A}_{VV}^{2\textsc{susy}}$ 붕괴 진폭을 계산한다.
• 유도된 진폭에 기반한 수치적 분석을 통해 분해비를 평가하며, $m_{A^0}$, $\tan\beta$, 그리고 스파article 질량에 대한 전체 의존성을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSSM 및 2HDM에서 $A^0 \to WW$, $ZZ$, $Z\gamma$, $\gamma\gamma$ 붕괴에 대한 주요 1-루프 기여는 무엇인가?
• RQ2 $A^0 \to VV$의 분해비는 $m_{A^0}$, $\tan\beta$, 그리고 치어미노 및 뉴트랄리노 질량에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 표준모형 페르미온과 초대칭 입자(예: 치어미노, 뉴트랄리노) 간의 $A^0 \to VV$ 붕괴 진폭에 대한 상대 기여는 무엇인가?
• RQ4 $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$ 서명이 LHC에서 감지 가능할 정도로 충분히 향상될 수 있는가?
• RQ5 MSSM 및 2HDM에서 루프 유도 붕괴 $A^0 \to VV$의 크기는 주요 $A^0 \to \bar{f}f$ 붕괴 모드와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• CP-홀드 힉스 보손의 $A^0 \to WW$ 및 $A^0 \to ZZ$ 붕괴는 $J^{PC} = 0^{+-}$ 양자수로 나무 수준에서 금지되어 있어 순수하게 루프 유도이며, 새로운 물리학의 감도 있는 탐사 수단이 된다.
• $A^0 \to \gamma\gamma$ 및 $A^0 \to Z\gamma$ 붕괴는 전하를 띤 페르미온과 치어미노를 포함한 루프 다이어그램을 통해 매개되며, 진폭은 $m_f^2$ 및 $m_{\tilde{\chi}^\pm}^2$ 비례한다.
• MSSM에서 치어미노 및 뉴트랄리노 루프 기여는 특히 $\tan\beta \gg 1$ 영역에서 $A^0 \to WW$ 및 $A^0 \to ZZ$ 분해비를 크게 증가시킬 수 있다.
• $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$ 최종 상태는 배경이 낮은 골드 플레이트 서명을 제공하여 LHC 탐색의 주요 대상이 된다.
• MSSM에서 $\tan\beta$가 크고 치어미노 질량이 가벼울 경우 $A^0 \to \gamma\gamma$ 및 $A^0 \to Z\gamma$의 분해비는 일반적으로 작지만 무시할 수 없는 정도이다.
• 논문은 부록에서 모든 $A^0 \to VV$ 진폭에 대한 완전한 해석식을 제공하여 몬테카를로 도구 및 현상학적 연구에 직접 구현할 수 있도록 한다.