[论文解读] Fermion mass effects on ${\Gamma(Z a b\bar{b} + a~light~Higgs)}$ in a two-Higgs-doublet model

J. Kalinowski, M. Krawczyk|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 1995

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文研究了在双 Higgs 双生模型（2HDM）中底夸克质量对 Z 玻色子衰变宽度（至 b̄b + 轻希格斯粒子 h 或 A）的影响，表明费米子质量效应在所有希格斯质量下均显著改变衰变率。在相空间极限和矩阵元中均保留底夸克质量至关重要——尤其在标量希格斯粒子产生过程中，其可使衰变速率达到最高 15% 的增强，并防止出现非物理的红外发散。

ABSTRACT

Large fermion mass effect on the Yukawa process $Z a b\bar{b} a b\bar{b} h (A)$ in the entire range of the neutral Higgs boson masses is found. It is particularly important for light Higgs bosons, which are still not excluded experimentally in a general two-Higgs-doublet model.

研究动机与目标

• 评估一般双 Higgs 双生模型中底夸克质量在 Z→b̄b + 轻希格斯粒子衰变中的作用。
• 确定无质量费米子近似是否低估或扭曲衰变率，特别是对轻希格斯玻色子而言。
• 量化 mb 对 Z→b̄bh 和 Z→b̄bA 过程中相空间积分极限与矩阵元贡献的影响。
• 提供修正后的衰变宽度预测，以提高对轻希格斯玻色子的实验灵敏度。

提出的方法

• 利用参考文献[7]的结果，对 Z→b̄bh 和 Z→b̄bA 的微分衰变分布 dΓ/dx1dx2 进行解析推导。
• 比较三种情形下的衰变宽度预测：完全保留 mb 依赖性、仅在相空间中包含 mb、完全忽略 mb。
• 利用 Yukawa 耦合 ∼mb tanβ 强调在大 tanβ 情况下，底夸克型费米子末态的增强效应。
• 以 mb = 5 GeV 为基准，对衰变宽度进行数值计算，作为希格斯质量（mh 或 mA）的函数。
• 分析有限费米子质量引起的红外行为与运动学抑制效应。
• 通过与 tan²β 成正比的方式，对不同 tanβ 值的结果进行重标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限底夸克质量如何影响 Z→b̄b + 希格斯粒子衰变中的相空间积分极限？
• RQ2 在矩阵元中包含 mb 对标量与赝标量希格斯粒子产生预测衰变宽度的影响程度如何？
• RQ3 无质量费米子近似是否会导致 Z→b̄bA 衰变率中出现非物理的红外发散？
• RQ4 mb 对整个希格斯质量范围内总衰变宽度的修正有多大？
• RQ5 在运动学与动力学中均不忽略 mb 的情况下，Z→b̄b→b̄bh/A 的 Yukawa 过程是否可被可靠预测？

主要发现

• 仅在相空间极限中保留有限底夸克质量，即可使所有 MA 值下的 Z→b̄bA 衰变宽度至少减少 15%，并纠正非物理的红外行为。
• 对于 Z→b̄bh，当 mb 达到 50 GeV 时，若在相空间和矩阵元中均完整包含 mb，衰变速率可增强高达 15%，与无质量近似相反。
• 无质量近似在 Z→b̄bh 中导致错误的红外行为，使其不适合用于定量预测。
• 对于 Z→b̄bA，只要正确考虑了运动学极限，忽略矩阵元中的 mb 是可接受的，因为主要修正来自相空间。
• Yukawa 过程 Z→b̄b→b̄bh/A 受 tanβ 显著增强，且在轻希格斯区域中，必须完整处理费米子质量才能实现准确建模。
• 结果可通过 tan²β 进行重标度，适用于任意 tanβ 值，使研究结果在 2HDM 物理学中具有广泛适用性。