[论文解读] Flavor changing neutral decay effects in models with two Higgs boson doublets: Applications to LHC Physics

Santi Béjar|ArXiv.org|Jun 12, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 131被引用 5

一句话总结

该论文研究了在双 Higgs 双生模型（2HDM）和最小超对称标准模型（MSSM）中顶夸克和希格斯玻色子的味改变中性流（FCNC）衰变，重点分析了圈图诱导的顶夸克衰变和希格斯玻色子衰变为重夸克的过程。通过一阶量子色动力学（SUSY-QCD）计算和大型强子对撞机（LHC）现象学分析，发现当 tanβ 较大且特定的超夸克混合时，MSSM 情形下的 FCNC 分支比可高达 10⁻⁴，因此在有利的参数选择下，这些过程在 LHC 上可能被探测到。

ABSTRACT

In this Thesis we have investigated some effects appearing in top quark and Higgs boson decays with flavor changing neutral currents (FCNC) in the framework of generic Two Higgs Doblet Models (2HDM) and the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). We have applied these two extensions to the SM to see whether they can produce new FCNC effects. Introductory chapters deal with the 2HDM and the MSSM. In the next chapters we have computed the following FCNC decays: (1) the branching ratios (B) of the top quark to Higgs bosons and charm quark in the 2HDM; (2) B and number of events at the Large Hadron Collider (LHC) of the Higgs bosons to top and charm quarks in the 2HDM; (3) B of the Higgs bosons to bottom and strange quarks in the MSSM; (4) cross section and number of events at the LHC of the Higgs bosons to FCNC final states involving the heavy quarks like the top and bottom quark in the MSSM (Higgs bosons = h^0, H^0, A^0). We also studied the experimental signatures that would allow discover of the nature of these Higgs bosons in the LHC. In this study we have applied the severe restrictions from observed low-energy FCNC processes like b -> sγ. Our general conclusion is that the physics of the processes with flavor changing neutral currents can be very important in seeing the physics beyond the Standard Model and to disentangle the nature of the most adequate model. Experiments at the LHC can be crucial to unravel signs of FCNC physics beyond the SM.

研究动机与目标

• 研究双 Higgs 双生模型（2HDM）和最小超对称标准模型（MSSM）中顶夸克和希格斯玻色子的味改变中性流（FCNC）衰变。
• 评估这些 FCNC 过程在实验约束下的现象学可行性，特别是来自 b→sγ 衰变的约束。
• 通过截面和事件率计算，评估大型强子对撞机（LHC）上此类 FCNC 信号的可探测性。
• 识别在考虑超对称量子色动力学（SUSY-QCD）贡献的情况下，MSSM 中 FCNC 衰变进入顶夸克和底夸克的参数区域，以实现最大衰变率。
• 探索扩展的希格斯模型中 FCNC 效应与希格斯结构之间的相互作用，特别是在 tanβ 较大且选择性自费米子质量非统一的场景下。

提出的方法

• 使用完整的超对称量子色动力学（SUSY-QCD）贡献，对 MSSM 中的 FCNC 衰变进行一阶圈图计算，包括顶点修正和自能图。
• 在 MSSM 中应用树图和一阶圈图的希格斯质量关系，以计算物理希格斯玻色子的质量和耦合常数。
• 通过数值分析计算 pp→h→qq′ 过程在 LHC 上的分支比（B）和产生截面（σ）。
• 施加来自实验分支比 B(b→sγ) 的严格约束，以排除非物理或被排除的参数区域。
• 通过扫描 MSSM 参数（如 mA⁰、tanβ、超夸克质量及混合角 δ23）来最大化 FCNC 衰变率。
• 将分支比和截面转换为每 100 fb⁻¹ 积分亮度下的预期事件数，用于 LHC 敏感性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通用 2HDM 中，顶夸克衰变为希格斯玻色子和粲夸克的分支比是多少？
• RQ2 在 2HDM 中，希格斯玻色子衰变为顶夸克和粲夸克的分支比最大可达到多大？是否可在 LHC 上探测到？
• RQ3 在 MSSM 中，希格斯玻色子衰变为底夸克和奇异夸克的最大可能分支比是多少？哪些超对称参数可使这些衰变率最大化？
• RQ4 在 MSSM 中，LHC 上 FCNC 希格斯衰变为重夸克（b→s，t→c）的产生截面和预期事件率是多少？
• RQ5 来自 b→sγ 衰变的约束如何影响 MSSM 中可观测 FCNC 希格斯衰变的可行参数空间？

主要发现

• 在 MSSM 中，分支比 B(h⁰→b̄s) 在 tanβ=50 且特定超夸克混合的有利情形下可高达 1.5×10⁻⁴，同时与 B(b→sγ) 的实验约束保持一致。
• 当 mA⁰=200 GeV 且 tanβ=50 时，h⁰→b̄s 衰变的最大事件率可达每 100 fb⁻¹ 约 120 个事件，前提是选择最优的超对称参数。
• 对于顶-粲夸克通道，当 mA⁰=300 GeV 且 tanβ=5 时，σ(pp→h⁰→t̄c) 最高可达 1.2 pb，对应每 100 fb⁻¹ 约 25 个事件。
• FCNC 贡献最大的情形出现在下型超夸克扇区中存在显著混合（δ23）时，特别是当超夸克本征态之间的质量分裂较大时。
• 在 MSSM 参数空间中，希格斯玻色子质量简并的“窗口区域”被 B(b→sγ) 约束所排除，导致最大可实现的分支比降低至最多一半。
• 在 FCNC 增强的情形下，希格斯玻色子的总宽度显著增加，在最有利的情况下可达到 1.5 GeV，这可能影响其在标准衰变模式下的探测。