[论文解读] BSM Higgs Production at a Muon Collider

Tao Han, Shuailong Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了在未来多TeV级μ子对撞机上，在两Higgs双重模型（2HDMs）中非标准模型重希格斯玻色子的发现潜力。结果表明，通过$μ^+\u03bc^-$湮灭和矢量玻色子融合（VBF）实现的粒子对产生，以及通过辐射返还$s$-通道产生，能够互补地探测重希格斯态，其独特的衰变模式可清晰区分四种2HDM类型——尤其在$\tan\beta$较大时，$\tau\tau$和$\tau\nu$衰变模式在类型-L与类型-II/F模型中占主导地位。

ABSTRACT

The potential of the non-Standard Model heavy Higgs bosons in 2HDM at a muon collider is studied. The pair production of the non-SM Higgs bosons via the universal gauge interactions is the dominant mechanism once above the kinematic threshold. On the other hand, single Higgs boson production associated with a pair of heavy fermions is also important in the parameter region with enhanced Yukawa couplings. Both $μ^+μ^-$ annihilation channels and Vector Boson Fusion processes are considered, as well as radiative return $s$-channel production. Different types of 2HDMs can also be distinguishable for moderate and large values of $ anβ$.

研究动机与目标

• 评估在高能μ子对撞机上非标准模型重希格斯玻色子在2HDM中的发现能力。
• 评估$\mu^+\mu^-$湮灭、矢量玻色子融合（VBF）和辐射返还过程在重希格斯产生中的主导性与互补性。
• 确定通过衰变道分析可实验区分不同2HDM类型（I、II、F、L）的条件。
• 量化增强的Yukawa耦合——尤其在$\tan\beta \gg 1$区域——对产生和衰变信号形状的影响。
• 探索利用辐射返还机制扩展对撞机质心系能量附近质量覆盖范围的可行性。

提出的方法

• 在对齐极限（$\cos(\beta - \alpha) = 0$）下，使用微扰量子场论计算分析$\mu^+\mu^-$湮灭和VBF过程的粒子对产生截面。
• 评估初始态辐射（ISR）下的辐射返还产生过程（$\mu^+\mu^- \to H\gamma$），建模ISR谱和光子角度切片（$10^\circ < \theta_\gamma < 170^\circ$）。
• 采用保守的对齐极限以避免对标准模型希格斯耦合造成大修正，集中关注模型特异性信号。
• 使用基准对撞机参数：$\sqrt{s} = 3{-}30$ TeV，亮度按$\mathcal{L} \propto (\sqrt{s}/10\,\text{TeV})^2 \times 10^4\,\text{fb}^{-1}$缩放。
• 根据$\mathbb{Z}_2$对称性对2HDM进行分类，并计算关键衰变道（如$H/A \to \tau^+\tau^-$、$H^\pm \to \tau\nu$、$b\bar{b}$）在不同$\tan\beta$区域的分支比。
• 比较不同2HDM类型中主导与次主导衰变道，识别在中等至大$\tan\beta$下可区分的信号特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在μ子对撞机上，$\mu^+\mu^-$湮灭、VBF或辐射返还中，哪种产生机制在2HDM中主导重希格斯产生？
• RQ2 在大$\tan\beta$下增强的Yukawa耦合如何影响$\tau^+\tau^-$或$b\bar{b}$等特定衰变模式的主导性？
• RQ3 在$\sqrt{s} = 14{-}30$ TeV下，能否通过衰变道模式的特征实验区分四种不同的2HDM类型（I、II、F、L）？
• RQ4 辐射返还多大程度上可扩展接近$\sqrt{s}$的单个重希格斯产生质量覆盖范围？
• RQ5 在对撞机质心系能量高于粒子对产生阈值时，$\mu^+\mu^-$湮灭和VBF过程对重希格斯质量的敏感度如何？

主要发现

• 由于$p$-波阈值行为和$\sim \alpha^2/s$的渐近标度，$\mu^+\mu^-$湮灭产生的粒子对在大多数2HDM态中占主导，除$H^+H^-$外。
• 在高能下，VBF过程表现出$\sim \log^2(s/m_V^2)$的对数增强，对重希格斯质量高度敏感，因此在高能研究中至关重要。
• 当$\tan\beta > 10$时，类型-L与类型-II/F模型中$\tau^+\tau^-$和$\tau\nu$衰变成为主导模式，可清晰区分于类型-I与类型-F。
• 在类型-II/F模型中，$b\bar{b}$衰变分支比随$\tan\beta$增大而增加，在$\tan\beta > 5$时占主导，从而可与类型-I区分开。
• 当$\tan\beta > 10$时，类型-II与类型-F模型中的$\tau\nu$和$\tau^+\tau^-$模式虽为次主导，但具有可探测的分支比（$\sim 10\%$），可实现完全区分。
• 在类型-L模型的大$\tan\beta$区域，当粒子对产生受 kinematically 禁止且夸克关联产生被抑制时，辐射返还$s$-通道产生可成为重希格斯玻色子的主要机制。