The search for dark matter candidate, ALP, together with CP-odd Higgs boson and tau leptons at $\sqrt{s}=14$ TeV

Technische Zusammenfassung von arXiv:2401.02528v1

Problemstellung
Kosmologische Beobachtungen, einschließlich des Gravitationslinseneffekts, der Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien, bestätigen, dass etwa 27 % des Universums aus Dunkler Materie bestehen. Während die Natur dieser Teilchen noch unbekannt ist, sagen Theorien jenseits des Standardmodells (BSM) – wie Superstrings und D-Branen – Kandidaten wie WIMPs, Dilatonen und Axionen voraus. Unter diesen ist das axionähnliche Teilchen (Axion-Like Particle, ALP) ein prominenter Kandidat. Die Identifizierung von ALPs wird jedoch dadurch erschwert, dass es an präzisen Informationen über deren Masse, ihre skalare oder pseudoskalare Natur sowie die Tatsache geht, dass ihre Wechselwirkung primär gravitativ ist. Diese Mehrdeutigkeit schafft erhebliche Herausforderungen sowohl für die experimentelle Identifizierung als auch für die theoretische Interpretation.

Methodik
Um diese Herausforderungen anzugehen, verwendeten die Autoren das Zwei-Higgs-Dublett-Modell plus einen pseudoskalaren Mediator (2HDM+a) als Referenzrahmen. Dieses Modell führt 12 zusätzliche Parameter mit spezifischen Randbedingungen ein:

• Die Massen der CP-ungeraden ($A$), CP-geraden ($H$) und geladenen ($H^\pm$) Higgs-Bosonen werden als gleich gesetzt.
• Die Mischungswinkel $\alpha$ und $\beta$ sind so beschränkt, dass $\cos(\beta - \alpha) = 0$ gilt.
• Die Masse des leichtesten Higgs-Bosons wird auf $m_h \approx 125$ GeV festgelegt.
• Der Mischungswinkel zwischen den beiden Pseudoskalaren, $\theta$, wird so gesetzt, dass entweder $\sin \theta = 0,35$ oder $\sin \theta = 0,7$ gilt.

Die Studie nutzte das Programm MadGraph5_aMC@NLO, um die Produktion des CP-ungeraden Higgs-Bosons ($A$) bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt{s} = 14$ TeV zu simulieren. Der untersuchte spezifische Prozess ist $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$, wobei das CP-ungerade Boson in ein ALP ($a$) und das leichteste Higgs-Boson ($h$) zerfällt, welches wiederum in Tau-Leptonen zerfällt.

Die Simulationsszenarien wurden durch experimentelle Beschränkungen der ATLAS-Kollaboration (basierend auf 139 fb$^{-1}$ Daten bei $\sqrt{s} = 13$ TeV) geleitet. Zwei spezifische Parametersätze (BP1 und BP2) wurden für die Analyse ausgewählt:

• BP1: $m_a = 500$ GeV, $m_A = 1400$ GeV, $\tan \beta = 1$, $\sin \theta = 0,35$.
• BP2: $m_a = 150$ GeV, $m_A = 500$ GeV, $\tan \beta = 2$, $\sin \theta = 0,7$.

Wichtigste Ergebnisse
Die Autoren berechneten die Produktionsquerschnitte für das Higgs-Boson ($A$) und das Axion ($a$) als Funktion ihrer jeweiligen Massen. Darüber hinaus analysierten sie die kinematischen Verteilungen der Endzustandsteilchen:

• Transversale Impulsverteilung ($p_T$): Die Daten zeigen eine Dominanz der Impulswerte für das CP-ungerade Higgs-Boson ($A$) im Bereich von 400–600 GeV. Für das ALP liegen die Impulswerte vornehmlich im Bereich von 100–400 GeV.
• Pseudorapidität ($\eta$): Für das CP-ungerade Higgs-Boson konzentrieren sich die Ereignisse im Bereich von $-3$ bis $3$. Für das ALP ist die Pseudorapiditätsverteilung symmetrischer, insbesondere im BP2-Szenario, in dem die Ereignisse zwischen $-1,5$ und $1,5$ gehäuft auftreten.

Bedeutung und Ansprüche
Das Paper behauptet, dass die abgeleiteten kinematischen Beschränkungen auf den transversalen Impuls und die Winkelverteilungen eine Grundlage für gezielte Suchen nach BSM-Physik bieten. Insbesondere legen die Ergebnisse die Machbarkeit der Suche nach einem CP-ungeraden Higgs-Boson mit einer Masse um 400 GeV und einem ALP-Dunkle-Materie-Kandidaten mit einer Masse von bis zu 200 GeV nahe.

Die Autoren schließen bescheiden, dass das BP2-Szenario Vorrang vor BP1 genießt, da es enger mit den neuesten experimentellen Beschränkungen der ATLAS-Kollaboration korreliert. Die Arbeit dient dazu, optimale Massenregionen und kinematische Einschränkungen zu modellieren, um die Identifizierung von ALPs und assoziierten Higgs-Bosonen in zukünftigen Hochenergiekollisionen zu erleichtern.