[논문 리뷰] Z ightarrow A^0 A^0 u\bar u$ and $e^+e^- ightarrow A^0 A^0 Z$ in Two Higgs Doublet Models

Howard E. Haber, Yosef Nir|arXiv (Cornell University)|1993. 02. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 가벼운 CP-짝성 스칼라가 존재하지 않는다고 가정할 때, 두 힉스 이중체 모델에서 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 및 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$의 생성률을 계산한다. $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$의 분해비는 $1.4 \times 10^{-8}$ 이하임을 발견하였으며, 고중심질량 에너지에서 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$의 단면적은 0.5 fb로 최고에 도달한다. 이는 중성 CP-홀드 스칼라 $A^0$의 잠재적 탐색 채널을 제공한다. 연구는 $A^0$ 결합에 대한 제약 조건을 제공하며, 직접적인 LEP 탐색과 보완된다.

ABSTRACT

In LEP searches for the neutral CP-odd scalar $A^0$ of a multi-Higgs doublet model, experimenters have searched for $Z ightarrow h^0 A^0$ (where $h^0$ is the lightest CP-even scalar). No model-independent limit on the $A^0$ mass can be deduced from present data if $m_{h^0}>m_Z$. In this paper, we compute the rates for $Z ightarrow A^0 A^0 u\bar u$ and $e^+e^- ightarrow A^0 A^0 Z$. Assuming that no light CP-even neutral scalars exist, the branching ratio for $Z ightarrow A^0 A^0 u\bar u$ is found to be less than $1.4 imes10^{-8}$. At higher $e^+e^-$ center-of-mass energies, $\sigma(e^+e^- ightarrow A^0 A^0 Z)$ peaks at $0.5$~fb. A comparison with other direct searches for the $A^0$ is briefly considered.

연구 동기 및 목표

• 표준 LEP 탐색이 효과가 없는 조건인 $m_{h^0} > m_Z$일 때, $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 붕괴에서 중성 CP-홀드 힉스 보손 $A^0$의 탐지 가능성 평가.
• 고중심질량 에너지에서 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$의 단면적을 계산하여 $A^0$의 잠재적 발견 채널로 활용 가능 여부 평가.
• 가벼운 CP-짝성 스칼라가 존재하지 않는다고 가정할 때 $A^0$ 결합에 대한 모델 독립적 제약 조건 제공.
• 기존의 직접적인 $A^0$ 탐색 결과와 비교하여 이 결과들이 보완적인 감도를 가지는지 평가.

제안 방법

• 분석은 가벼운 CP-짝성 힉스 보손($h^0$)이 존재하지 않는다고 가정한 두 힉스 이중체 모델(2HDM)에 기반한다.
• 가상의 $W^\pm$ 및 토프 쿼크 교환을 포함한 피카르도 다이어그램을 사용하여 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$의 붕괴 진폭을 계산한다.
• 고중심질량 에너지에서 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 과정을 트리 수준 전기약력 상호작용 정점과 페르미온 및 게이지 보손에 대한 $A^0$ 결합을 사용하여 평가한다.
• $m_{h^0} > m_Z$ 조건을 만족하여 $Z \to h^0 A^0$ 붕괴가 불가능한 조건에서 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$의 분해비를 계산한다.
• 중심질량 에너지 함수로서 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$의 단면적을 계산하며, 고에너지에서 최대 감도를 보인다.
• 결과를 기존 LEP 직접 탐색 한계와 비교하여 감도 및 보완성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가벼운 CP-짝성 힉스 보손이 존재하지 않을 경우, $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$의 분해비는 얼마인가?
• RQ2 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$의 단면적은 중심질량 에너지에 따라 어떻게 변화하며, 최대 값은 얼마인가?
• RQ3 $m_{h^0} > m_Z$ 조건에서 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$가 $A^0$의 실현 가능한 탐색 채널이 될 수 있는가?
• RQ4 계산된 비율은 기존의 직접적인 LEP 탐색 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 과정들은 2HDM 프레임워크에서 $A^0$ 결합에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 가벼운 CP-짝성 스칼라가 존재하지 않는다고 가정할 경우, $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$의 분해비는 $1.4 \times 10^{-8}$ 이하로 제약된다.
• 고중심질량 에너지에서 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$의 단면적은 0.5 fb로 최고에 도달한다.
• $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 붕괴 모드는 매우 억제되어 있어 현재의 충돌기에서 관측하기 어려운 편이다.
• $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 과정은 향후 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기에서 $A^0$의 유망한 발견 채널을 제공한다.
• 이 결과들은 $m_{h^0} > m_Z$ 조건에서 특히 중요한 보완적 탐색 수단을 제공하며, 기존의 직접적 LEP 탐색과 보완된다.
• 연구는 모델 독립적 분석에서 페르미온 및 게이지 보손에 대한 $A^0$ 결합을 고려하는 것이 중요하다는 점을 부각시킨다.