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

Technische Samenvatting van arXiv:2401.02528v1

Probleemstelling
Kosmologische waarnemingen, waaronder zwaartekrachtlenzen, kosmische achtergrondstraling en de rotatiesnelheid van sterrenstelsels, bevestigen dat ongeveer 27% van het Universum uit donkere materie bestaat. Hoewel de aard van deze deeltjes onbekend blijft, voorspellen theorieën voor deeltjes buiten het Standaardmodel (BSM) — zoals superstrings en D-branen — kandidaten zoals WIMP's, dilatonen en axionen. Onder deze zijn Axion-Like Particles (ALP's) een prominente kandidaat. Het identificeren van ALP's wordt echter bemoeilijkt door het gebrek aan precieze informatie over hun massa, hun scalaire of pseudoscalaire aard, en het feit dat hun interactie primair gravitationeel is. Deze ambiguïteit creëert aanzienlijke uitdagingen voor zowel experimentele identificatie als theoretische interpretatie.

Methodologie
Om deze uitdagingen aan te pakken, hanteerden de auteurs het Two-Higgs-Doublet Model plus een pseudoscalaire mediator (2HDM+a) als referentiekader. Dit model introduceert 12 extra parameters met specifieke beperkingen:

• De massa's van de CP-danlijke ($A$), CP-even ($H$) en geladen ($H^\pm$) Higgs-bosonen worden gelijk gesteld.
• De menghoeken $\alpha$ en $\beta$ worden beperkt zodat $\cos(\beta - \alpha) = 0$.
• De massa van het lichtste Higgs-boson wordt vastgesteld op $m_h \approx 125$ GeV.
• De menghoek tussen de twee pseudoscalaire deeltjes, $\theta$, wordt ingesteld om ofwel $\sin \theta = 0,35$ of $\sin \theta = 0,7$ te voldoen.

De studie maakte gebruik van het MadGraph5_aMC@NLO programma om de productie van het CP-danlijke Higgs-boson ($A$) te simuleren bij een centrum-van-massa energie van $\sqrt{s} = 14$ TeV. Het specifieke proces dat wordt onderzocht is $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$, waarbij het CP-danlijke boson vervalt in een ALP ($a$) en het lichtste Higgs-boson ($h$), waarbij het Higgs-boson vervolgens vervalt in tau-leptonen.

De simulatiescenario's werden geleid door experimentele beperkingen van de ATLAS-collaboratie (gebaseerd op 139 fb$^{-1}$ aan data bij $\sqrt{s} = 13$ TeV). Twee specifieke parametersets (BP1 en BP2) werden geselecteerd voor 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, $\tan \beta = 2$, $\sin \theta = 0,7$.

Belangrijkste Resultaten
De auteurs berekenden de productietverdeling (cross-sections) voor het Higgs-boson ($A$) en het axion ($a$) als functie van hun respectieve massa's. Bovendien analyseerden zij de kinematische distributies van de eindtoestand-deeltjes:

• Transversale Momentum ($p_T$): De gegevens wijzen op een dominantie van momentumwaarden voor het CP-danlijke Higgs-boson ($A$) in het bereik van 400–600 GeV. Voor de ALP liggen de momentumwaarden voornamelijk in het bereik van 100–400 GeV.
• Pseudorapiditeit ($\eta$): Voor het CP-danlijke Higgs-boson zijn de gebeurtenissen geconcentreerd in de regio van $-3$ tot $3$. Voor de ALP is de pseudorapiditeitsdistributie symmetrischer, met name in het BP2-scenario, waar gebeurtenissen clusteren tussen $-1,5$ en $1,5$.

Betekenis en Claims
Het artikel stelt dat de afgeleide kinematische beperkingen op transversale momentum en hoekdistributies een basis bieden voor gerichte zoektochten naar BSM-fysica. Specifiek suggereren de resultaten de haalbaarheid van het zoeken naar een CP-danlijk Higgs-boson met een massa rond de 400 GeV en een ALP donkere materie-kandidaat met een massa tot 200 GeV.

De auteurs concluderen bescheiden dat het BP2-scenario prioriteit heeft boven BP1, waarbij zij opmerken dat dit nauwer correleert met de nieuwste experimentele beperkingen die door de ATLAS-collaboratie zijn vastgesteld. Het werk dient om optimale massaregio's en kinematische restricties te modelleren om de identificatie van ALP's en geassocieerde Higgs-bosonen in toekomstige hoogenergetische botsingen te vergemakkelijken.