[论文解读] Searching for a CP-odd Higgs via a pair of gauge bosons at the LHC

Abdesslam Arhrib, Rachid Benbrik+1 more|ArXiv.org|Oct 15, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文在MSSM和2HDM框架下，通过包含费米子和超对称粒子的一圈费曼图，对CP奇的Higgs boson衰变至规范玻色子对（WW、ZZ、Zγ、γγ）进行了全面研究。关键成果是获得了衰变振幅和分支比的完整解析表达式，使LHC能够直接开展实验搜索，具有如四轻子末态等清晰信号。

ABSTRACT

The CP-odd Higgs boson $A^0$ of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and Two Higgs Doublet Model (2HDM) will usually decay into the heaviest possible fermion -- antifermion pair available. The $A^0 o VV$ decay where, $V =γ, Z, W^\pm$, and gluons are of particular interest as they are not allowed at tree level and hence they may offer information about the underlying new physics that enters at one loop level. In this paper all branching ratios of the CP-odd Higgs boson $A^0$ both in the MSSM and 2HDM are presented for this channel including all relevant Standard Model (SM) and MSSM particles. This discovery channel might provide an opportunity to search for a CP-odd Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC) and new physics beyond the Standard Model. Expressions for these decays are given in the Appendices.

研究动机与目标

• 系统评估CP奇Higgs玻色子$A^0$在MSSM和2HDM中衰变至规范玻色子对（WW、ZZ、Zγ、γγ）的分支比。
• 提供包含SM费米子和超对称粒子（带电sparticle、中性sparticle、轻子squark、squark）贡献的一圈级衰变振幅的解析表达式。
• 通过识别如$A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$和$A^0 \to \gamma\gamma$等清晰信号，使LHC实验搜索成为可能。
• 量化圈级耦合的影响，这些耦合在树图级别因CP奇量子数而被禁止，从而探测标准模型之外的新物理。
• 为$A^0 \to VV$过程提供完整的衰变宽度和分支比公式，包括阈值效应和圈效应。

提出的方法

• 利用MSSM和2HDM的费曼规则推导$A^0 \to VV$衰变的一圈振幅，包含所有相关的SM和SUSY粒子。
• 使用Passarino-Veltman张量函数$C_0, C_1, C_2$将圈积分表示为物理质量和耦合的函数。
• 纳入顶夸克、底夸克、带电和中性Higgsino、带电sparticle、中性sparticle以及带电Higgs玻色子的贡献。
• 对2HDM和MSSM贡献分别处理，其耦合结构不同：费米子的$g_{A^0 \bar{f}f} = \tan\beta$（或$\cot\beta$）。
• 为每种$VV$末态计算衰变振幅$\mathcal{A}_{VV}^{2\textsc{hdm}}$和$\mathcal{A}_{VV}^{2\textsc{susy}}$，包括费米子圈和SUSY圈的贡献。
• 利用推导出的振幅进行分支比的数值计算，完整依赖于$m_{A^0}$、$\tan\beta$和超对称粒子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MSSM和2HDM中，$A^0 \to WW$、$A^0 \to ZZ$、$A^0 \to Z\gamma$和$A^0 \to \gamma\gamma$衰变的主要一圈贡献是什么？
• RQ2 在$A^0 \to VV$衰变中，分支比如何依赖于$m_{A^0}$、$\tan\beta$以及带电sparticle和中性sparticle的质量？
• RQ3 SM费米子与超对称粒子（如带电sparticle、中性sparticle）对$A^0 \to VV$衰变振幅的相对贡献如何？
• RQ4 $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$信号是否足够增强，可在LHC中被探测到？
• RQ5 在MSSM和2HDM中，圈诱导的$A^0 \to VV$衰变的大小与主导的$A^0 \to \bar{f}f$衰变模式相比如何？

主要发现

• 由于$J^{PC} = 0^{+-}$量子数，$A^0 \to WW$和$A^0 \to ZZ$衰变在树图级别被禁止，因此完全是圈级诱导，是探测新物理的敏感探针。
• $A^0 \to \gamma\gamma$和$A^0 \to Z\gamma$衰变由包含带电费米子和带电sparticle的圈图介导，振幅与$m_f^2$和$m_{\tilde{\chi}^\pm}^2$成正比。
• 在MSSM中，带电sparticle和中性sparticle圈可显著增强$A^0 \to WW$和$A^0 \to ZZ$的分支比，尤其在$\tan\beta \gg 1$区域。
• $A^0 \to ZZ \to l^+l^-l^+l^-$末态提供了背景极低的“金标准”信号，是LHC搜索的首要目标。
• 当$\tan\beta$较大且带电sparticle质量较轻时，$A^0 \to \gamma\gamma$和$A^0 \to Z\gamma$的分支比通常较小但不可忽略。
• 附录中提供了所有$A^0 \to VV$振幅的完整解析表达式，可直接用于蒙特卡洛工具和现象学研究。