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

Resumen Técnico de arXiv:2401.02528v1

Planteamiento del Problema
Las observaciones cosmológicas, incluyendo las lentes gravitacionales, los datos del fondo cósmico de microondas y las velocidades de rotación galáctica, confirman que aproximadamente el 27% del Universo consiste en materia oscura. Aunque la naturaleza de estas partículas sigue siendo desconocida, las teorías más allá del Modelo Estándar (BSM) —como las supercuerdas y las D-branas— predicen candidatos como WIMPs, dilatones y axiones. Entre estos, la Partícula de Tipo Axión (ALP, por sus siglas en inglés) es un candidato prominente. Sin embargo, la identificación de las ALP se ve complicada por la falta de información precisa sobre su masa, su naturaleza escalar o pseudoscalar y el hecho de que su interacción es primordialmente gravitacional. Esta ambigüedad crea desafíos significativos tanto para la identificación experimental como para la interpretación teórica.

Metodología
Para abordar estos desafíos, los autores emplearon el Modelo de Dos Dobletes de Higgs más un mediador pseudoscalar (2HDM+a) como marco de referencia. Este modelo introduce 12 parámetros adicionales con restricciones específicas:

• Las masas de los bosones de Higgs CP-impar ($A$), CP-par ($H$) y cargados ($H^\pm$) se establecen como iguales.
• Los ángulos de mezcla $\alpha$ y $\beta$ están restringidos de tal manera que $\cos(\beta - \alpha) = 0$.
• La masa del bosón de Higgs más ligero se fija en $m_h \approx 125$ GeV.
• El ángulo de mezcla entre los dos pseudoscalares, $\theta$, se establece para satisfacer ya sea $\sin \theta = 0.35$ o $\sin \theta = 0.7$.

El estudio utilizó el programa MadGraph5_aMC@NLO para simular la producción del bosón de Higgs CP-impar ($A$) a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 14$ TeV. El proceso específico investigado es $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$, donde el bosón CP-impar decae en un ALP ($a$) y el bosón de Higgs más ligero ($h$), el cual decae posteriormente en leptones tau.

Los escenarios de simulación fueron guiados por las restricciones experimentales de la colaboración ATLAS (basadas en 139 fb$^{-1}$ de datos a $\sqrt{s} = 13$ TeV). Se seleccionaron dos conjuntos de parámetros específicos (BP1 y BP2) para el análisis:

• 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, $\tan \beta = 2$, $\sin \theta = 0.7$.

Resultos Clave
Los autores calcularon las secciones eficaces de producción para el bosón de Higgs ($A$) y el axión ($a$) como funciones de sus respectivas masas. Además, analizaron las distribuciones cinemáticas de las partículas del estado final:

• Momento Transverso ($p_T$): Los datos indican una predominancia de valores de momento para el bosón de Higgs CP-impar ($A$) en el rango de 400–600 GeV. Para el ALP, los valores de momento se encuentran predominantemente en el rango de 100–400 GeV.
• Pseudorrapidez ($\eta$): Para el bosón de Higgs CP-impar, los eventos se concentran en la región de $-3$a$3$. Para el ALP, la distribución de la pseudorrapidez es más simétrica, particularmente en el escenario BP2, donde los eventos se agrupan entre $-1.5$y$1.5$.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que las restricciones cinemáticas derivadas sobre el momento transverso y las distribuciones angulares proporcionan una base para búsquedas dirigidas de física BSM. Específicamente, los resultados sugieren la viabilidad de buscar un bosón de Higgs CP-impar con una masa alrededor de 400 GeV y un candidato a materia oscura tipo ALP con una masa de hasta 200 GeV.

Los autores concluyen modestamente que el escenario BP2 demuestra prioridad sobre BP1, señalando que se correlaciona más estrechamente con las restricciones experimentales más recientes establecidas por la colaboración ATLAS. El trabajo sirve para modelar regiones de masa óptimas y restricciones cinemáticas para facilitar la identificación de ALPs y los bosones asociados en futuras colisiones de alta energía.