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

arXiv:2401.02528v1 技术摘要

问题陈述
包括引力透镜、宇宙微波背景数据和星系旋转速度在内的宇宙学观测证实，宇宙中约有 27% 由暗物质组成。尽管这些粒子的性质仍未知，但超越标准模型（BSM）的理论——例如超弦和 D-膜——预测了诸如 WIMPs、狄拉克子（dilatons）和轴子等候选者。其中，类轴子粒子（ALP）是一个重要的候选者。然而，由于缺乏关于其质量、标量或伪标量性质的精确信息，且其相互作用主要以引力形式存在，识别 ALP 变得十分复杂。这种模糊性为实验鉴定和理论解释带来了显著挑战。

方法论
为了应对这些挑战，作者采用了带有伪标量媒介子的双标量场模型（2HDM+a）作为参考框架。该模型引入了 12 个具有特定约束条件的额外参数：

• CP 奇 Higgs 玻色子（$A$）、CP 偶 Higgs 玻色子（$H$）和带电 Higgs 玻色子（$H^\pm$）的质量被设定为相等。
• 混合角 $\alpha$ 和 $\beta$ 受限于 $\cos(\beta - \alpha) = 0$。
• 最轻 Higgs 玻色子的质量固定在 $m_h \approx 125$ GeV。
• 两个伪标量之间的混合角 $\theta$ 被设定为满足 $\sin \theta = 0.35$ 或 $\sin \theta = 0.7$。

本研究利用 MadGraph5_aMC@NLO 程序模拟了在质心能量 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下 CP 奇 Higgs 玻色子（$A$）的产生过程。所研究的具体过程是 $pp \to A \to ah\tau^+\tau^-$，其中 CP 奇玻色子衰变为一个 ALP（$a$）和最轻 Higgs 玻色子（$h$），随后 Higgs 衰变为一对陶轻子（tau leptons）。

模拟方案受 ATLAS 实验协作组（基于 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下 139 fb$^{-1}$ 的数据）的实验约束指导。分析中选择了两个特定的参数集（BP1 和 BP2）：

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

关键结果
作者计算了 Higgs 玻色子（$A$）和轴子（$a$）作为其各自质量函数的产生截面。此外，他们还分析了末态粒子的运动学分布：

• 横向动量 ($p_T$): 数据表明，CP 奇 Higgs 玻色子（$A$）的动量主要集中在 400–600 GeV 范围内。对于 ALP，动量值主要分布在 100–400 GeV 范围内。
• 伪快度 ($\eta$): 对于 CP 奇 Higgs 玻色子，事件集中在 $-3$到$3$ 的区域。对于 ALP，其伪快度分布更加对称，特别是在 BP2 情景下，事件聚集在 $-1.5$到$1.5$ 之间。

意义与主张
本文声称，推导出的横向动量和角度分布的运动学约束为针对性的 BSM 物理搜索提供了基础。具体而言，结果表明搜索质量在 400 GeV 左右的 CP 奇 Higgs 玻色子以及质量高达 200 GeV 的 ALP 暗物质候选者的可行性。

作者谦虚地得出结论，BP2 情景比 BP1 具有更高的优先级，因为其与 ATLAS 实验协作组建立的最新实验约束更为吻中。这项工作旨在通过对最优质量区域和运动学限制进行建模，以促进未来高能碰撞中 ALP 及其相关 Higgs 玻色子的识别。