[论文解读] Charged Higgs Pair Production in THDM Through Photon-photon Collisions at the ILC

N. Sönmez|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究在树图层级下，基于双 Higgs 双生模型（THDM）研究了国际线性对撞机（ILC）中通过光子-光子碰撞产生带电 Higgs 粒子对的机制。在 √s = 650 GeV 时，当 m_H± = 100 GeV/c²，总积分截面达到峰值 1.4 pb，表明 ILC 在探测标准模型之外的新物理信号——带电 Higgs 玻色子方面具有潜力。

ABSTRACT

In this study, the charged Higgs pair production is analyzed for the minimal extension of the standard model called two-higgs-doublet model. The process $\\gamma\\gamma\ ightarrow H^+H^-$ is calculated at the tree level for the ILC and the numerical analysis is presented for various parameters. The production rate of the charged Higgs boson pair as a function of center-of-mass (CM) energy and the differential cross section as a function of angle between photon and positive charged Higgs boson is presented. The cross section gets high at the low charged Higgs mass and low CM energies. The total integrated cross section of the process is also calculated at a $e^+e^-$-collider by convoluting the $\\gamma\\gamma\ ightarrow H^+H^-$ subprocess with the photon luminosity of the backscattered photons. The total integrated cross section peaks around $\\sqrt{s}=650 \\;\ ext{GeV}$ and have a value of $1.4 \\;\ ext{pb}$ for $m_{H^\\pm}=100\\;\ ext{GeV/c}^2$. Charged Higgs detection is very important sign for the new physics and the results shows the potential of the ILC for the search of the new physics signals.

研究动机与目标

• 分析在树图层级下，双 Higgs 双生模型（THDM）中通过 γγ → H⁺H⁻ 产生带电 Higgs 粒子对的机制。
• 评估 H⁺H⁻ 的产生率与角分布随质心系能量和 Higgs 粒子质量的变化关系。
• 通过卷积 γγ → H⁺H⁻ 与来自反向散射光子的光子亮度函数，估算电子-正电子对撞机中的总积分截面。
• 评估 ILC 在探测标准模型之外新物理的背景下，对带电 Higgs 玻色子的发现潜力。
• 为未来实验搜索提供基准结果，尤其针对低质量带电 Higgs 粒子。

提出的方法

• 利用标量势参数和 Yukawa 耦合，计算 THDM 中 γγ → H⁺H⁻ 的树图振幅。
• 计算作为光子与正带电 Higgs 玻色子之间散射角函数的微分截面。
• 评估不同质心系能量和 Higgs 质量下，γγ → H⁺H⁻ 的总积分截面。
• 将 γγ → H⁺H⁻ 子过程与通过康普顿反向散射获得的 e⁺e⁻ 碰撞中的光子亮度函数进行卷积。
• 对基准参数（包括 tanβ 和 m_H±）进行数值分析，覆盖从 0.5 至 2 TeV 的质心系能量范围。
• 利用运动学约束和费曼图（t-通道与 u-通道）建模产生动力学与截面行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 THDM 的树图层级下，ILC 中通过 γγ 碰撞产生带电 Higgs 粒子对（H⁺H⁻）的产生率是多少？
• RQ2 微分截面如何依赖于光子与 H⁺ 玻色子之间的散射角？
• RQ3 在不同质心系能量和 Higgs 质量下，e⁺e⁻ → γγ → H⁺H⁻ 的总积分截面是多少？
• RQ4 在何种质心系能量和 Higgs 质量下，截面达到峰值？其随 m_H± 的变化规律如何？
• RQ5 ILC 是否能够以高显著性探测带电 Higgs 玻色子，特别是在低质量情形下？

主要发现

• γγ → H⁺H⁻ 的微分截面在前向和后向角度（θ ≈ 0°）达到峰值，表明在束流方向上产生增强。
• 在 m_H± = 100 GeV/c² 时，e⁺e⁻ → γγ → H⁺H⁻ 的总积分截面在 √s = 650 GeV 时达到最大值 1.63 pb。
• 截面在低带电 Higgs 质量和低质心系能量下最高，于 √s = 650 GeV 时达到峰值 1.4 pb。
• 在 √s = 1 TeV 时，截面下降至约 0.9 pb，至 √s = 2 TeV 时进一步减小，显示出随能量增加而缓慢下降的趋势。
• 在低质量与低能量区域（m_H± ≈ 100 GeV/c²，√s ≈ 0.5 TeV），截面最高可达 3.75 pb，如二维截面图所示。
• 在截面图的左上区域，由于 m_H± 较高而 √s 较低，该过程在运动学上被禁止。