[论文解读] Z ightarrow A^0 A^0 u\bar u$ and $e^+e^- ightarrow A^0 A^0 Z$ in Two Higgs Doublet Models

Howard E. Haber, Yosef Nir|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 1993

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 23

一句话总结

本文在假设不存在轻量CP-奇标量的情况下，计算了双 Higgs 双重模型中 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 和 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 的产生率。结果表明，$Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 的分支比小于 $1.4 \times 10^{-8}$，而 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 的截面在较高质心能量下峰值达到 0.5 fb，为中性CP-奇标量 $A^0$ 提供了潜在的搜索通道。该研究对 $A^0$ 耦合常数提供了约束，并补充了直接的LEP搜索结果。

ABSTRACT

In LEP searches for the neutral CP-odd scalar $A^0$ of a multi-Higgs doublet model, experimenters have searched for $Z ightarrow h^0 A^0$ (where $h^0$ is the lightest CP-even scalar). No model-independent limit on the $A^0$ mass can be deduced from present data if $m_{h^0}>m_Z$. In this paper, we compute the rates for $Z ightarrow A^0 A^0 u\bar u$ and $e^+e^- ightarrow A^0 A^0 Z$. Assuming that no light CP-even neutral scalars exist, the branching ratio for $Z ightarrow A^0 A^0 u\bar u$ is found to be less than $1.4 imes10^{-8}$. At higher $e^+e^-$ center-of-mass energies, $\sigma(e^+e^- ightarrow A^0 A^0 Z)$ peaks at $0.5$~fb. A comparison with other direct searches for the $A^0$ is briefly considered.

研究动机与目标

• 评估当 $m_{h^0} > m_Z$ 时，在标准LEP搜索失效的情况下，通过 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 衰变检测中性CP-奇希格斯玻色子 $A^0$ 的可行性。
• 计算在较高质心能量下 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 的截面，作为 $A^0$ 的潜在发现通道。
• 在假设不存在轻量CP-偶标量的前提下，提供对 $A^0$ 耦合常数的模型无关约束。
• 将这些结果与现有的直接 $A^0$ 搜索进行比较，以评估其互补灵敏度。

提出的方法

• 分析基于双 Higgs 双重模型（2HDM），假设不存在轻量CP-偶希格斯玻色子（$h^0$）。
• 使用费曼图计算 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 的衰变振幅，包括虚 $W^\pm$ 和顶夸克交换。
• 在较高质心能量下，利用树级电弱顶点和 $A^0$ 对费米子及规范玻色子的耦合，评估 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 过程。
• 在约束 $m_{h^0} > m_Z$ 的条件下计算 $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 的分支比，使 $Z \to h^0 A^0$ 衰变不可行。
• 作为质心能量函数的截面计算 $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$，其最大灵敏度出现在较高能量。
• 将结果与现有的LEP直接搜索极限进行比较，以评估灵敏度和互补性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不存在轻量CP-偶希格斯玻色子的情况下，$Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 的分支比是多少？
• RQ2 随着质心能量的变化，$e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 的截面如何变化，其最大值是多少？
• RQ3 当 $m_{h^0} > m_Z$ 时，$Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 是否可作为 $A^0$ 的可行发现通道？
• RQ4 这些计算结果与现有的LEP对 $A^0$ 的直接搜索相比如何？
• RQ5 这些过程在2HDM框架下对 $A^0$ 耦合常数施加了何种约束？

主要发现

• 在假设不存在轻量CP-偶标量的前提下，$Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 的分支比被限制在小于 $1.4 \times 10^{-8}$。
• $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 的截面在较高质心能量下达到峰值 0.5 fb。
• $Z \to A^0 A^0 u\bar{u}$ 衰变模式仍高度抑制，使得在当前对撞机上难以观测。
• $e^+e^- \to A^0 A^0 Z$ 过程为未来高能 $e^+e^-$ 对撞机中 $A^0$ 的发现提供了有希望的通道。
• 这些结果为直接LEP搜索提供了补充探测，尤其在 $m_{h^0} > m_Z$ 的情形下。
• 该研究强调了在模型无关分析中考虑 $A^0$ 对费米子和规范玻色子的耦合的重要性。