[论文解读] $H^\pm o cb$ in models with two or more Higgs doublets

A. G. Akeroyd, Stefano Moretti+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出通过探测 $H^{/pm} \to cb$衰变中的底夸克，增强在具有两个或更多希格斯双重态的模型中对带电希格斯玻色子 ($H^{/pm}$) 的敏感度，该衰变模式在具有自然味守恒的3HDM中可占宽度的80%。与标准的 $H^{/pm} \to cs$ 搜索相比，该方法使信背比提高了约2.13倍，从而能够对费米子耦合施加更严格的约束，并可能在 $m_{H^{/pm}} < m_t$ 时发现 $H^{/pm} \to cb$。该方法可直接应用于对齐的2HDM，且可能揭示标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

Searches for light $H^\pm$s via $t o H^\pm b$ are being carried out at the LHC. Herein, it is normally assumed that the dominant decay channels are $H^\pm o τν$ and $H^\pm o cs$ and separate data analyses are performed with comparable sensitivity to the underlying model assumptions. However, the $H^\pm o cb$ decay rate can be as large as $80\%$ in models with two or more Higgs doublets with natural flavour conservation, while satisfying the constraint from $b o sγ$ for $m_{H^\pm}&lt; m_t$. Despite the current search strategy for $H^\pm o cs$ is also sensitive to $H^\pm o cb$, a significant gain in sensitivity could be obtained by tagging the $b$ quark from the decay $H^\pm o cb$.

研究动机与目标

• 解决当前LHC对多希格斯双重态模型中 $H^\pm \to cb$ 衰变探测敏感度有限的问题。
• 提出一种实用的现有 $t \to H^\pm b$ 和 $H^\pm \to cs$ 搜索策略的扩展，即通过标记 $H^\pm \to cb$ 衰变中的 $b$ 夸克来实现。
• 证明当分支比较大时，$b$-标记可显著提升对 $H^\pm \to cb$ 的探测敏感度，特别是在具有自然味守恒的3HDM中。
• 提供一个利用 $H^\pm \to cb$ 衰变信息来约束3HDM中 $X$ 和 $Y$ 可见耦合参数的框架。

提出的方法

• 研究分析了具有民主Yukawa结构的三重希格斯双重态模型（3HDM），其中费米子质量源于三个不同的真空期望值（VEVs）。
• 通过一个 $3 \times 3$ 的幺正混合矩阵 $U$ 对带电希格斯质量矩阵进行对角化，将 $H^\pm_2$ 确认为最轻的带电希格斯态。
• Yukawa耦合通过 $X = U_{12}/U_{11}$、$Y = -U_{22}/U_{21}$ 和 $Z = U_{32}/U_{31}$ 参数化，并受到 $b \to s\gamma$ 和 $Z \to b\bar{b}$ 过程的约束。
• 信号过程为 $t \to H^\pm b$，随后是 $H^\pm \to cb$，通过标记来自 $H^\pm$ 衰变的 $b$ 夸克来抑制背景。
• 通过使用 $S/\sqrt{B}$ 方法估算灵敏度增益，其中 $b$-标记效率 $\epsilon_b = 0.5$，$c$-夸克误标率 $\epsilon_c = 0.1$，轻夸克误标率 $\epsilon_j = 0.01$，得到约2.13倍的提升。
• 对比了有无 $b$-标记的信号区域，结果表明 $b$-标记可使对 $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.5\%$ 的敏感度成为可能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多希格斯双重态模型中，$t \to H^\pm b$ 事件中对 $b$ 夸克进行标记是否能显著提升对 $H^\pm \to cb$ 衰变的探测敏感度？
• RQ2 在LHC的 $t \to H^\pm b$ 搜索背景下，对 $H^\pm \to cb$ 衰变应用 $b$-标记时，信背比的定量提升是多少？
• RQ3 在 $[|X|, |Y|]$ 参数空间的哪些区域，$H^\pm \to cb$ 可以占主导地位，同时满足 $b \to s\gamma$ 和 $Z \to b\bar{b}$ 的约束？
• RQ4 当 $H^\pm \to cb$ 占主导时，当前LHC对 $\text{BR}(t \to H^\pm b)$ 的限制与 $b \to s\gamma$ 的限制相比如何？
• RQ5 在 $\text{BR}(H^\pm \to cb)$ 可达80%的3HDM和对齐2HDM中，$b$-标记是否能实现对 $H^\pm \to cb$ 的发现或更严格的约束？

主要发现

• $b$-标记方法由于轻夸克和 $c$-夸克的误标率较低，使信背比相比标准 $H^{/pm} \to cs$ 搜索提高了约2.13倍。
• 在3HDM中，当 $|X| \gg |Y|, |Z|$ 时，$H^\pm \to cb$ 的分支比可高达80%，且在 $m_{H^{/pm}} < m_t$ 条件下仍满足 $b \to s\gamma$ 约束。
• 当前LHC对 $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.02$ 的限制排除了部分未被 $b \to s\gamma$ 排除的 $[|X|, |Y|]$ 参数空间区域，特别是在 $15 < |X| < 40$ 且 $0 < |Y| < 0.04$，以及 $0 < |X| < 4$ 且 $0.3 > |Y| > 0.8$ 的区域。
• 对 $H^\pm \to cb$ 衰变中产生的 $b$ 夸克进行标记，可将对 $\text{BR}(t \to H^\pm b) < 0.5\%$ 的敏感度扩展至新区域，从而在原本不可探测的区域中实现对 $H^\pm \to cb$ 的发现。
• 该结果可直接应用于对齐2HDM（A2HDM），在 $m_{H^\pm} < m_t$ 条件下，$H^\pm \to cb$ 的分支比也可高达80%；而由于 $V_{cb}$ 较小，该增强在类型I、II或IV 2HDM中不可行。
• 该方法为通过 $H^\pm \to cb$ 衰变信号来明确约束 $X$ 和 $Y$ Yukawa 耦合，从而验证3HDM和A2HDM的可行性提供了可行路径。