[论文解读] Implications of Yukawa texture in the charged Higgs boson phenomenology within 2HDM-III

A. Cordero-Cid, O. Félix-Beltrán+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文研究了在具有四零 Yukawa 纹理的 2HDM-III 模型中带电 Higgs 玻色子的现象学，表明修正的耦合显著改变了大型强子对撞机（LHC）上的衰变模式和产生率。研究发现，在大 $ anh\beta$ 条件下，$H^+ \to W^+h^0$ 是主导衰变模式，当 $ anh\beta=70$ 时事件率可达约 15,000，且 $gg$-融合在产生过程中占主导地位，优于 $c\bar{b}$-融合，从而可与其它 2HDM 情景区分开来。

ABSTRACT

We discuss the implications of assuming a four-zero Yukawa texture for the properties of the charged Higgs boson within the context of the general 2-Higgs Doublet Model of Type III. We present the charged Higgs boson couplings with heavy quarks and the resulting pattern for its decays, including the decay $H^+ o W^+ γ$ at 1-loop level. The parameters chosen can still avoid the $B o X_s γ$ constraint, the perturbativity and $ρ_0$ bound. Also, we present the constraints of $ B0-\bar{B}0$ mixing and of the radiative corrections to the $Z b \bar{b}$ vertex in the regime small $ an β$. The production of charged Higgs bosons is also sensitive to the modifications of its couplings, so that we also evaluate the resulting effects on `direct' $c\bar{b} o H^++c. c.$ and `indirect' $q\bar q,gg o \bar t b H^++c. c.$ production. Significant scope exists at the Large Hadron Collider for several $H^\pm$ production and decay channels combined to enable one to distinguish between such a model and alternative 2-Higgs doublet scenarios.

研究动机与目标

• 研究四零 Yukawa 纹理对 2HDM-III 模型中带电 Higgs 玻色子耦合及衰变模式的影响。
• 在该纹理下评估带电 Higgs 玻色子在 LHC 上的可探测性，同时考虑直接与间接产生机制。
• 将 2HDM-III 的现象学信号与其它 2HDM 变体（尤其是 2HDM-II）进行比较。
• 评估来自 $B \to X_s\gamma$、$B^0-\bar{B}^0$ 混合以及辐射修正 $Zb\bar{b}$ 的约束。

提出的方法

• 在 2HDM-III 框架下，利用四零 Yukawa 纹理推导带电 Higgs 玻色子与费米子的耦合，参数化为 $\tilde{\chi}^{u,d}_{ij}$ 矩阵。
• 在一阶微扰论下计算 $H^+ \to W^+\gamma$ 的分支比，包括圈图诱导贡献。
• 评估 LHC 上直接 $c\bar{b} \to H^+$ 和间接 $q\bar{q}, gg \to \bar{t}bH^+$ 产生截面。
• 应用来自 $B \to X_s\gamma$、$B^0-\bar{B}^0$ 混合以及 $\delta Zb\bar{b}$ 修正的约束，以限制可行的参数空间。
• 使用 $10^5$ pb$^{-1}$ 的亮度进行事件率估算，重点关注 $H^+ \to W^+h^0$、$H^+ \to t\bar{b}$、$H^+ \to \tau^+\nu_\tau$ 和 $H^+ \to W^+A^0$ 衰变。
• 通过比较不同 $\tan\beta$ 和 $m_{H^+}$ 值下的信号率，识别主导通道并区分其与其它 2HDM 模型的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 2HDM-III 中，四零 Yukawa 纹理如何改变带电 Higgs 玻色子的耦合与衰变分支比？
• RQ2 在该纹理下，LHC 上 $H^+$ 的主要产生机制是什么？$c\bar{b}$-融合与 $gg$-融合之间有何比较？
• RQ3 $H^+ \to W^+\gamma$ 衰变是否可在 LHC 上被观测到？其受到 $B \to X_s\gamma$ 的何种约束？
• RQ4 $B^0-\bar{B}^0$ 混合与辐射修正 $Zb\bar{b}$ 在小 $\tan\beta$ 范围内对模型参数施加了何种约束？
• RQ5 哪些衰变与产生通道在 LHC 上对 $H^+$ 的发现最具前景？它们与 2HDM-II 有何不同？

主要发现

• $H^+ \to W^+h^0$ 衰变通道在大 $\tan\beta$ 下占主导，当 $\tan\beta = 70$ 时分支比约为 36%，使其成为最具前景的信号通道。
• 对于 $m_{H^+} = 400$ GeV 且 $\tan\beta = 70$ 的情况，通过间接 $gg$-融合产生，$H^+ \to W^+h^0$ 的事件率在 $10^5$ pb$^{-1}$ 亮度下达到 15,480 个。
• 通过 $q\bar{q}, gg \to \bar{t}bH^+$ 间接产生的截面显著高于直接 $c\bar{b}$-融合，当 $\tan\beta = 70$ 时，$\sigma \approx 4.3 \times 10^{-1}$ pb，而 $c\bar{b}$-融合仅为 $1.25 \times 10^{-1}$ pb。
• $H^+ \to W^+\gamma$ 衰变可在一阶圈图下计算，且在所选参数空间内与 $B \to X_s\gamma$ 约束保持一致。
• 在 $m_{H^+} = 400$ GeV 时，$c\bar{b}$-融合通道贡献的事件率较低，尤其在高 $m_{H^+}$ 时，其信号探测效率低于 $gg$-融合。
• 该模型的现象学特征，特别是 $H^+ \to W^+h^0$ 的主导性与耦合结构，为在 LHC 上将 2HDM-III 与 2HDM-II 及其它 2HDM 变体区分开来提供了清晰的信号。