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

Sintesi Tecnica di arXiv:2401.02528v1

Definizione del Problema
Le osservazioni cosmologiche, inclusi il lensing gravitazionale, i dati della radiazione cosmica di fondo e le velocità di rotazione galattica, confermano che circa il 27% dell'Universo è costituito da materia oscura. Sebbene la natura di queste particelle rimanga ignota, le teorie oltre il Modello Standard (BSM) — come le superstringhe e i D-brane — predicono candidati come i WIMP, i dilatoni e gli assioni. Tra questi, l'Assione-Like Particle (ALP) è un candidato prominente. Tuttavia, l'identificazione degli ALP è complicata dalla mancanza di informazioni precise riguardo alla loro massa, alla loro natura scalare o pseudoscalare e al fatto che la loro interazione è principalmente gravitazionale. Questa ambiguità crea sfide significative sia per l'identificazione sperimentale che per l'interpretazione teorica.

Metodologia
Per affrontare queste sfide, gli autori hanno impiegato il Modello a Due Doppietti di Higgs più un mediatore pseudoscalare (2HDM+a) come quadro di riferimento. Questo modello introduce 1le 12 parametri aggiuntivi con vincoli specifici:

• Le masse dei bosoni di Higgs CP-disordinato ($A$), CP-parità (CP-even) ($H$) e carichi ($H^\pm$) sono impostate come uguali.
• Gli angoli di miscelazione $\alpha$ e $\beta$ sono vincolati in modo che $\cos(\beta - \alpha) = 0$.
• La massa del bosone di Higgs più leggero è fissata a $m_h \approx 125$ GeV.
• L'angolo di miscelazione tra i due pseudoscalari, $\theta$, è impostato per soddisfare o $\sin \theta = 0.35$ o $\sin \theta = 0.7$.

Lo studio ha utilizzato il programma MadGraph5_aMC@NLO per simulare la produzione del bosone di Higgs CP-disordinato ($A$) a un'energia nel centro di massa di $\sqrt{s} = 14$ TeV. Il processo specifico investigato è $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$, dove il bosone CP-disordinato decade in un ALP ($a$) e nel bosone di Higgs più leggero ($h$), il quale successivamente decade in leptoni tau.

Le scenari di simulazione sono stati guidati dai vincoli sperimentali della collaborazione ATLAS (basati su 139 fb$^{-1}$ di dati a $\sqrt{s} = 13$ TeV). Sono stati selezionati due set di parametri specifici (BP1 e BP2) per l'analisi:

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

Risultati Chiave
Gli autori hanno calcolato le sezioni d'urto di produzione per il bosone di Higgs ($A$) e l'assione ($a$) in funzione delle rispettive masse. Inoltre, hanno analizzato le distribuzioni cinematiche delle particelle dello stato finale:

• Momento Trasverso ($p_T$): I dati indicano una predominanza di valori di momento per il bosone di Higgs CP-disordinato ($A$) nell'intervallo 400–600 GeV. Per l'ALP, i valori di momento si trovano prevalentemente nell'intervallo 100–400 GeV.
• Pseudorapidità ($\eta$): Per il bosone di Higgs CP-disordinato, gli eventi sono concentrati nella regione da $-3$a$3$. Per l'ALP, la distribuzione della pseudorapidità è più simmetrica, particolarmente nello scenario BP2, dove gli eventi si raggruppano tra $-1.5$e$1.5$.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che i vincoli cinematici derivati sul momento trasverso e sulle distribuzioni angolari forniscono una base per ricerche mirate della fisica BSM. Nello specifico, i risultati suggeriscono la fattibilità di cercare un bosone di Higgs CP-disordinato con una massa intorno ai 400 GeV e un candidato materia oscura ALP con una massa fino a 200 GeV.

Gli autori concludono con moderazione che lo scenario BP2 dimostra priorità rispetto a BP1, notando che correla più strettamente con gli ultimi vincoli sperimentali stabiliti dalla collaborazione ATLAS. Il lavoro serve a modellare le regioni di massa ottimali e le restrizioni cinematiche per facilitare l'identificazione di ALP e dei relativi bosoni di Higgs in futuri collisioni ad alta energia.