ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 2, с. 314-323
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗУЧЕНИЕ КОНСТАНТ СВЯЗИ НТТ, НЪЪ СКАЛЯРНОГО (ПСЕВДОСКАЛЯРНОГО) ХИГГСОВСКОГО БОЗОНА НА БУДУЩЕМ
ЛИНЕЙНОМ е+е--КОЛЛАЙДЕРЕ
© 2004 г. В. В. Брагута1), А. А. Лиходед1)-2)*, А. Е. Чалов1), Р. Розенфельд2)**
Поступила в редакцию 13.09.2002 г.; после доработки 21.02.2003 г.
Исследуется возможность постановки ограничений на константы связи скалярного (псевдоскалярного) хиггсовского бозона с т-лептоном и Ь-кварком в реакциях е+е- — vVт+т- и е+е- — —> 1/1/ЬЬ на будущем линейном е+е~-коллайдере с л/в = 500 ГэВ. Примесь нового гипотетического псевдоскалярного состояния хиггсовского бозона в вершине Н/ / параметризована в виде (mf /ь)(а + + ¿75 Ь). В результате анализа дифференциальных распределений процессов показано, что данные с будущего линейного коллайдера ТЕБЬА позволят ограничить параметры а и Ь на уровне -0.32 < Да < < 0.24, -0.73 < Ь < 0.73 в случае реакции е+е- — vVт+т- и -0.026 < Да < 0.027, -0.23 < Ь < 0.23 в случае реакции е+е- — vVЬЬ. Подчеркивается особенная важность вклада подпроцесса слияния ШШ — Н в канале с электронным нейтрино, который значительно усиливает чувствительность данных к анализируемым параметрам.
1. ВВЕДЕНИЕ
Происхождение фермионных масс и смешивания является одним из важных вопросов в физике частиц. На данный момент эти величины являются входными параметрами для хорошо проверенной стандартной модели (СМ). Измерение этих величин с максимально возможной экспериментальной точностью позволит ограничить класс расширенных моделей, которые способны теоретически предсказать их значения.
По всей видимости, массы фермионов напрямую связаны с механизмом нарушения электрослабой симметрии, известным на настоящий момент. В простейшей модели электрослабый скалярный дублет с ad hoc потенциалом ф4 отвечает за нарушение симметрии, предсказывая
наблюдаемый бозон Хиггса (JPC = 0++). Наиболее популярные расширения СМ, например суперсимметричная стандартная модель, предсказывают в дополнение к легкому скалярному состоянию существование также и псевдоскалярного хигг-
совского бозона с JPC = 0 +. Альтернативной является возможность нарушения электрослабой симметрии новыми сильными взаимодействиями, и в этом случае также возможно существование
^Институт физики высоких энергий, Протвино, Россия.
2)Instituto de Fi sica Teco rica — UNESP Rua Pamplona, Sä o
Paulo, Brasil.
E-mail: andre@ift.unesp.br
E-mail: rosenfel@ift.unesp.br
псевдоскалярного бозона [1]. В связи с этим представляется особенно важным различать данные сценарии, что может быть осуществлено путем детального исследования СР-свойств ожидаемой скалярной (псевдоскалярной)частицы.
Метод анализа СР-природы хиггсовского бозона по его распадам в фермионы или калибровочные бозоны был разработан в [2] и применен для процесса рождения бозона Хиггса в реакции е+е- — ИН в [3]. Стоит отметить, что, по-видимому, наиболее очевидным способом определения СР-свойств хиггсовского бозона являются исследования на фотон-фотонном коллайдере, где различная поляризация начальных фотонов позволит выделять различные СР-состояния [4].
Данные о константе связи ИНН также могут быть получены при изучении порогового поведения и угловых распределений процесса е+е- — ИН. В частности, с достаточной точностью могут быть определены спиновые и СР-свойства хиггсовского бозона [5].
На будущих адронных коллайдерах, таких, как ЬИС, анализ азимутального углового распределения конечных детектируемых струй в подпроцессе слияния калибровочных бозонов предоставит эффективную возможность изучения СР-свойств связи НШШ [6].
Данные по измерению константы связи хиггсов-ского бозона с ¿-кварком в процессах рр — ЫН на ЬИС [7] и е+е- — иН на будущем линейном
е+е -коллайдере [8] также могут быть использованы для определения СР-свойств бозона Хиггса.
Возможности изучения СР-свойств хиггсов-ского бозона были проанализированы и для случая Л+Л--коллайдера [9].
В настоящей работе мы исследуем возможность определения относительных вкладов скалярного и псевдоскалярного хиггсовских бозонов в вершинах взаимодействия Нт+т- и НЬЬ в реакциях е+е- — иит+т- и е+е- — ииЬЬ на будущем линейном е+е~-коллайдере ТЕБЬА с у^ = 500 ГэВ и интегральной светимостью 1 абн-1 [10]. Предполагается, что бозон Хиггса будет ранее обнаружен на LHC, однако детальное определение его СР-природы станет первоочередной задачей экспериментов на линейном коллайдере.
В отличие от более ранних работ [11, 12], в которых исследовались только подпроцессы радиационного рождения Хиггса, например е+е- — 2* — — 2Н, мы анализируем все возможные вклады в процессы е+е- — иит+т- и е+е- — ииЬЬ, где и — электронное, мюонное и т-лептонное нейтрино. В частности, подчеркивается особая роль канала с электронным нейтрино, где подпроцесс слияния калибровочных бозонов доминирует в рождении хиггсовского бозона для Мн < 180 ГэВ при л/в > > 500 ГэВ.
В следующем разделе мы приводим общий вид взаимодействия скалярного (псевдоскалярного) бозона Хиггса с фермионами. В разд. 3 и 4 приведены результаты анализа процессов е+е- — ииЬЬ и е+е- — иит+т-. Последний раздел содержит общие выводы и заключение.
2. СТРУКТУРА Н//-ВЗАИМОДЕИСТВИЯ
В расширениях СМ с дополнительными скалярными и псевдоскалярными бозонами наилегчайшая частица с нулевым спином может являться комбинацией состояний без определенной четности [12]. Кроме того, небезосновательно предположить, что константы взаимодействия данного скалярного (псевдоскалярного) хиггсовского бозона с калибровочными бозонами и фермионами являются независимыми параметрами. В этом случае можно параметризовать взаимодействие Н// следующим образом:
-^(а + г^Ь),
(1)
где V = 246 ГэВ и а = 1, Ь = 0 в случае СМ. Рас-
сматривая процессы е+е-
иит+т
и е+е-
— ииЬЬ, мы исследуем случай, когда а и Ь являются независимыми свободными параметрами, а также случаи отклонения только одного из параметров от значений СМ. Как будем показано далее,
при независимых а и Ь результирующие ограничения на параметры модели представляют собой области нечувствительности вокруг окружностей
л/ а2 + Ь2 = 1 в плоскости аЪ.
Стоит отметить, что данные по обоим процессам (без учета последующих распадов т-лептонов и Ь-кварков) включают линейную зависимость от параметра а, которая определяется вкладом интерференции диаграмм с обменом хиггсовским бозоном и фоновых диаграмм, а также а2 -и Ь2-зависимости, определяемые собственным вкладом диаграмм с обменом хиггсовским бозоном. В связи с этим даже на уровне процессов без последующих распадов т и Ь возможен поиск отклонений от предсказаний СМ, которые могут возникать, например, в суперсимметричных моделях.
Анализ процессов с последующими распадами т-лептонов и Ь-кварков предоставит возможность исследовать Р-нечетные корреляции, которые позволят разделить вклады скалярной и псевдоскалярной компонент связи хиггсовского бозона с фермионами, а также определить знак псевдоскалярной компоненты. Этот анализ станет предметом последующих публикаций.
При моделировании процессов методом Монте-Карло анализируемые дифференциальные распределения представлялись в виде разложений по степеням параметров а и Ь, умноженным на кинематические факторы:
А А 2 л
— = Ао + а • Ах + а-2 ■ А2 + аО
+ аЬ • + Ь • А4 + Ь2 • А5 ...,
где О — экспериментально наблюдаемая величина; Аг — чисто кинематические факторы, которые следуют из возведения в квадрат амплитуд процессов и интегрирования по фазовому объему, не содержат никакой зависимости от параметров а и Ь и непосредственно являются предметом монте-карло-моделирования. Как будет объяснено ниже, в случае рассматриваемых процессов А3 = А4 = 0.
Данные моделировались с учетом специфики проекта TESLA, отклик детектора моделировался при помощи пакета SIMDET версия 3.01 [13]. Для обоих процессов использовалось значение массы хиггсовского бозона Мн = 120 ГэВ.
3. ПРОЦЕСС е+е
+-
ииЬЬ)
В рамках СМ сечение реакции е+е- — ииЬЬ определяется вкладами трех основных подпроцессов — с электронным, мюонным и т-лептонным нейтрино в конечном состоянии:
иеиеЪЬ — 23 диаграммы Фейнмана
1. е+е
+-
(одна диаграмма с радиационным рождением
—►
щ Pfci 0.006
0.004
0.002
0
о(e e ^ vvbb), пбн
• •
* * • .
m Sim m I m mim sie Bi
dMb-b
0.008 0.004
0
100 200 iPbi, ГэВ/с
o(e+e~ ^ vvbb), пбн
e t
В В é >
d cos 0
-o(e+e ^vvbb), пбн
eb
0.4
0.2
0-1 ------d------
dTco
30 20 10 0
s s_m i д_ffl_
01
cos0eb
o(e+e~ ^ vvbb), пбн
ffl-L
1®-«J
100 200 300 -0.05 -0.01 0.03
Mbb, ГэВ Tcor
Рис. 1. Дифференциальные распределения сечения процесса e+e- ^ vvbb) по импульсу b-кварка (а), углу рассеяния b-кварка относительно направления начальных пучков (б), инвариантной массе пары bb (в) и корреляции Tcor (г) для СМ при v^ = 500 ГэВ и Мн = 120 ГэВ. Точки • соответствуют сумме трех подпроцессов с ve, vм и vT, ® — только подпроцессу с мюонным нейтрино.
а
хиггсовского бозона, Z* — ZH, одна диаграмма с рождением хиггсовского бозона за счет слияния WW — H и 21 фоновая диаграмма СМ);
2. e+e- — v^v^bb — 11 диаграмм Фейнмана (одна диаграмма с радиационным рождением Хиггса, Z* — ZH, и 10 фоновых диаграмм СМ);
3. e+e- — vTvTbb — 11 диаграмм Фейнмана (одна диаграмма с радиационным рождением Хиггса, Z* — ZH, и 10 фоновых диаграмм СМ).
Величина полного сечения реакции e+e- — vvbb для Мн = 120 ГэВ и л/s = 500 ГэВ определяется доминирующим вкладом подпроцесса с электронным нейтрино, сечение которого равно ~0.16 пбн, в то время как оставшиеся два подпроцесса дают вклад в полное сечение на уровне ~0.01 пбн. Это связано прежде всего с тем, что в канале с электронным нейтрино присутствует диаграмма со слиянием WW — H в центральной области, дающая значительный вклад в процесс рождения хиггсовского бозона, не убывающий с энергией, в то время как остальные два канала рождения хиггсовского бозона определяются подпроцессом радиационного образования, e+e- — Z* HZ.
При исследовании процесса е+е- — vVЬЬ мы анализируем стандартный набор экспериментально наблюдаемых распределений, а именно: распределения по импульсу и углу рассеяния Ь-струи, инвар
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.