[论文解读] A two-Higgs-doublet interpretation of a small Tevatron $Wjj$ excess

John F. Gunion|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出，Tevatron 数据中观测到的小型 $Wjj$ 过量可能由一个具有小 $ an\beta \lesssim 1/5$ 的 Type-II 二Higgs双重态模型（2HDM）解释，其中较重的 CP 奇异 Higgs 玻色子 $A$ 通过 $A \to H^\pm W^\mp$ 衰变，而 $H^\pm \to cs$ 产生 $Wjj$ 信号。该模型预测在 $\gamma\gamma$ 和 $W^+W^-b\bar{b}$ 最终态中存在相关信号，Tevatron 上的截面约为 1–2 pb，且在 LHC 上增强约 40 倍，因此可利用现有的 LHC 数据进行检验。

ABSTRACT

We show that a $Wjj$ excess in Tevatron data could be explained in the context of the standard non-supersymmetric two-Higgs-doublet model for appropriately chosen parameters. Correlated signals in the $γγ$ and $W^+ W^- b \anti b$ final states are predicted and are on the verge of being detectable. The proposed model is most attractive if the cross section for the $Wjj$ excess is $\lsim 1-2\pb$.

研究动机与目标

• 探索 Tevatron 数据中观测到的 $Wjj$ 过量（特别是 $M_{jj} \sim 140~{\rm GeV}$ 区域）是否可用非超对称二Higgs双重态模型（2HDM）解释。
• 识别能够重现观测到的 $Wjj$ 截面而不需非微扰顶夸克 Yukawa 耦合的可行 2HDM 参数空间。
• 预测在 $\gamma\gamma$ 和 $W^+W^-b\bar{b}$ 最终态中的相关信号，这些信号可在 LHC 上检验该模型。
• 评估该模型在精确电弱约束和味改变中性流（FCNC）抑制下的可行性。

提出的方法

• 采用具有标准 Yukawa 耦合的 Type-II 2HDM 以避免树图级 FCNC，固定 $\sin(\beta - \alpha) = 1$，以确保最轻的 CP 偶 Higgs（$h$）为 SM 类型，$m_h = 115~{\rm GeV}$。
• 使用 $gg \to A$ 产生截面，由于 $\tan\beta < 1$ 时 fermion 耦合受 $\cot\beta$ 增强，通过 HIGLU 和一个专用程序计算 NLO 和 NNLO 修正。
• 计算 $A \to H^\pm W^\mp$ 和 $H^\pm \to cs$ 或 $t^*b$ 的分支比，对 $H^\pm \to t^*b \to W^+b\bar{b}$ 包含非稳定 $t^*$ 衰变，以模拟 $Wjj$ 和 $WWbb$ 最终态。
• 评估 $\gamma\gamma$ 和 $W^+W^-b\bar{b}$ 最终态的截面，表明二者相关且在 $m_A \sim 250-300~{\rm GeV}$ 时可在 LHC 上探测。
• 将模型预测与 CDF 和 D0 数据比较，表明 $1-2~{\rm pb}$ 的 $Wjj$ 截面在不需非微扰顶 Yukawa 耦合的情况下是可行的。
• 考虑第四代费米子双态对 $gg \to A$ 截面的影响，表明尽管会增强截面，但 $\tan\beta$ 仍受限制以保持 Yukawa 耦合为微扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有小 $\tan\beta$ 的 Type-II 2HDM 是否能解释 Tevatron 数据中观测到的 $Wjj$ 过量，而无需非微扰顶夸克 Yukawa 耦合？
• RQ2 在所提出的 2HDM 情形下，$\gamma\gamma$ 和 $W^+W^-b\bar{b}$ 最终态的预测截面是多少？
• RQ3 $gg \to A$ 产生截面在 Tevatron 和 LHC 之间如何缩放？该模型将在何时被明确检验或排除？
• RQ4 在 $m_{H^\pm} \sim 140~{\rm GeV}$ 时，$H^\pm \to cs$ 和 $H^\pm \to t^*b$ 的分支比是多少？它们如何影响 $Wjj$ 和 $WWbb$ 最终态？
• RQ5 通过 LHC 上 $Wjj$、$\gamma\gamma$ 和 $W^+W^-b\bar{b}$ 信号的相互作用，该模型能否与标准模型及其他 BSM 模型区分开来？

主要发现

• Tevatron 上截面约为 $1-2~{\rm pb}$ 的 $Wjj$ 过量可用 $m_A \sim 250-300~{\rm GeV}$ 且 $\tan\beta \lesssim 1/5$ 的 Type-II 2HDM 解释，且避免了非微扰顶夸克 Yukawa 耦合。
• $gg \to A$ 截面在 $m_A = 250~{\rm GeV}$ 且 $\tan\beta = 1/5$ 时达到 $3.9~{\rm pb}$，结合 $BR(H^\pm \to cs) \sim 0.2$ 时足以解释 $Wjj$ 信号。
• 该模型预测一个与 $A$ 玻色子 $\gamma\gamma$ 率相关联的 $\gamma\gamma$ 信号，占 $A$ 玻色子 $\gamma\gamma$ 率的 $\sim 30\%-40\%$，若 $m_H \neq m_A$ 超过 $10~{\rm GeV}$，则可能作为独立峰被探测到。
• 预测了显著的 $W^+W^-b\bar{b}$ 信号，截面在 $m_A = 250~{\rm GeV}$ 且 $\tan\beta = 1/5$ 时约为 $2.8~{\rm pb}$，大于 $Wjj$ 信号，尽管小于直接的 $t\bar{t}$ 产生，但仍可能被探测到。
• LHC 上的 $Wjj$ 截面相比 Tevatron 增强约 $\sim 40$ 倍，使得该模型在 $L = 1~{\rm fb}^{-1}$ 的积分亮度下可被检验。
• 该模型与最小超对称标准模型不一致，因为所需的 $m_A \sim 250-300~{\rm GeV}$ 和 $\tan\beta \lesssim 1/5$ 在 MSSM 框架下无法实现。