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

Résumé technique de arXiv:2401.02528v1

Énoncé du problème
Les observations cosmologiques, incluant les lentilles gravitationnelles, les données du fond diffus cosmologique et les vitesses de rotation galactique, confirment qu'environ 27 % de l'Univers est constitué de matière noire. Bien que la nature de ces particules demeure inconnue, les théories au-delà du Modèle Standard (BSM) — telles que les supercordes et les D-branes — prédisent des candidats comme les WIMPs, les dilatons et les axions. Parmi ceux-ci, la particule de type axion (ALP) est un candidat de premier plan. Cependant, l'identification des ALPs est compliquée par l'absence d'informations précises concernant leur masse, leur nature scalaire ou pseudoscalaire, et le fait que leur interaction est principalement gravitationnelle. Cette ambiguïté crée des défis significatifs tant pour l'identification expérimentale que pour l'interprétation théorique.

Méthodologie
Pour répondre à ces défis, les auteurs ont employé le Modèle à Deux Doublets de Higgs plus un médiateur pseudoscalaire (2HDM+a) comme cadre de référence. Ce modèle introduit 12 paramètres supplémentaires avec des contraintes spécifiques :

• Les masses des bosons de Higgs CP-impair ($A$), CP-pair ($H$) et chargés ($H^\pm$) sont fixées comme étant égales.
• Les angles de mélange $\alpha$ et $\beta$ sont contraints de telle sorte que $\cos(\beta - \alpha) = 0$.
• La masse du boson de Higgs le plus léger est fixée à $m_h \approx 125$ GeV.
• L'angle de mélange entre les deux pseudoscalaires, $\theta$, est défini pour satisfaire soit $\sin \theta = 0,35$, soit $\sin \theta = 0,7$.

L'étude a utilisé le programme MadGraph5_aMC@NLO pour simuler la production du boson de Higgs CP-impair ($A$) à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 14$ TeV. Le processus spécifique étudié est $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$, où le boson CP-impair se désintègre en un ALP ($a$) et le boson de Higgs le plus léger ($h$), ce dernier se désintégrant ensuite en leptons tau.

Les scénarios de simulation ont été guidés par les contraintes expérimentales de la collaboration ATLAS (basées sur 139 fb$^{-1}$ de données à $\sqrt{s} = 13$ TeV). Deux ensembles de paramètres spécifiques (BP1 et BP2) ont été sélectionnés pour l'analyse :

• 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, $\tan \beta = 2$, $\sin \theta = 0,7$.

Résultats clés
Les auteurs ont calculé les sections efficaces de production du boson de Higgs ($A$) et de l'axion ($a$) en fonction de leurs masses respectives. De plus, ils ont analysé les distributions cinématiques des particules de l'état final :

• Impulsion transverse ($p_T$) : Les données indiquent une prédominance des valeurs de quantité de mouvement pour le boson de Higgs CP-impair ($A$) dans la plage 400–600 GeV. Pour l'ALP, les valeurs de quantité de mouvement se situent principalement dans la plage 100–400 GeV.
• Pseudorapidité ($\eta$) : Pour le boson de Higgs CP-impair, les événements sont concentrés dans la région allant de $-3$à$3$. Pour l'ALP, la distribution de la pseudorapidité est plus symétrique, particulièrement dans le scénario BP2, où les événements se regroupent entre $-1,5$ et $1,5$.

Signification et affirmations
L'article affirme que les contraintes cinématiques dérivées sur l'impulsion transverse et les distributions angulaires fournissent une base pour des recherches ciblées de la physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Plus précisément, les résultats suggèrent la faisabilité d'une recherche d'un boson de Higgs CP-impair avec une masse autour de 400 GeV et d'un candidat de matière noire de type ALP avec une masse allant jusqu'à 200 GeV.

Les auteurs concluent modestement que le scénario BP2 démontre une priorité sur le BP1, notant qu'il est plus étroitement corrélé aux dernières contraintes expérimentales établies par la collaboration ATLAS. Ce travail sert à modéliser les régions de masse optimales et les restrictions cinématiques afin de faciliter l'identification des ALPs et des bosons de Higgs associés lors de futures collisions à haute énergie.