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

Resumo Técnico de arXiv:2401.02528v1

Definição do Problema
Observações cosmológicas, incluindo lentes gravitacionais, dados da radiação cósmica de fundo e velocidades de rotação galáctica, confirmam que aproximadamente 27% do Universo consiste de matéria escura. Embora a natureza dessas partículas permaneça desconhecida, teorias Além do Modelo Padrão (BSM) — como supercordas e D-branes — preveem candidatos como WIMPs, dilatons e axions. Entre estes, a Partícula Semelhante ao Áxion (ALP) é um candidato proeminente. No entanto, a identificação de ALPs é complicada pela falta de informações precisas sobre sua massa, natureza escalar ou pseudoescalar e pelo fato de que sua interação é primariamente gravitacional. Essa ambiguidade cria desafios significativos tanto para a identificação experimental quanto para a interpretação teórica.

Metodologia
Para abordar esses desafios, os autores empregaram o Modelo de Dois Dubletos de Higgs mais um mediador pseudoescalar (2HDM+a) como um arcabouço de referência. Este modelo introduz 12 parâmetros adicionais com restrições específicas:

• As massas dos bósons de Higgs CP-ímpar ($A$), CP-par ($H$) e carregados ($H^\pm$) são definidas como iguais.
• Os ângulos de mistura $\alpha$ e $\beta$ são restringidos de modo que $\cos(\beta - \alpha) = 0$.
• A massa do bósom de Higgs mais leve é fixada em $m_h \approx 125$ GeV.
• O ângulo de mistura entre os dois pseudoescalares, $\theta$, é definido para satisfazer ou $\sin \theta = 0,35$ ou $\sin \theta = 0,7$.

O estudo utilizou o programa MadGraph5_aMC@NLO para simular a produção do bóson de Higgs CP-ímpar ($A$) em uma energia de centro de massa de $\sqrt{s} = 14$ TeV. O processo específico investigado é $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$, onde o bóson CP-ímpar decai em um ALP ($a$) e no bóson de Higgs mais leve ($h$), sendo que o Higgs decai subsequentemente em léptons tau.

Os cenários de simulação foram guiados por restrições experimentais da colaboração ATLAS (baseadas em 139 fb$^{-1}$ de dados a $\sqrt{s} = 13$ TeV). Dois conjuntos específicos de parâmetros (BP1 e BP2) foram selecionados para análise:

• 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 Principais
Os autores calcularam as seções de choque de produção para o bóson de Higgs ($A$) e para o áxion ($a$) como funções de suas respectivas massas. Além disso, analisaram as distribuições cinemáticas das partículas do estado final:

• Momento Transverso ($p_T$): Os dados indicam uma predominância de valores de momento para o bóson de Higgs CP-ímpar ($A$) na faixa de 400–600 GeV. Para o ALP, os valores de momento encontram-se predominantemente na faixa de 100–400 GeV.
• Pseudorapidez ($\eta$): Para o bóson de Higgs CP-ímpar, os eventos estão concentrados na região de $-3$a$3$. Para o ALP, a distribuição de pseudorapidez é mais simétrica, particularmente no cenário BP2, onde os eventos se agrupam entre $-1,5$e$1,5$.

Significância e Alegações
O artigo afirma que as restrições cinemáticas derivadas sobre o momento transverso e distribuições angulares fornecem uma base para buscas direcionadas de física BSM. Especificamente, os resultados sugerem a viabilidade de buscar por um bóson de Higgs CP-ímpar com uma massa em torno de 400 GeV e um candidato a matéria escura do tipo ALP com uma massa de até 200 GeV.

Os autores concluem modestamente que o cenário BP2 demonstra prioridade sobre o BP1, observando que ele se correlaciona mais proximamente com as restrições experimentais mais recentes estabelecidas pela colaboração ATLAS. O trabalho serve para modelar regiões de massa ideais e restrições cinemáticas para facilitar a identificação de ALPs e bósons de Higgs associados em futuras colisões de alta energia.