[論文レビュー] 2HDM at the LHC - the story so far

A. Barroso, P. M. Ferreira+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、LHCで発見された125 GeVのヒッグス粒子に対して、最も一般的なCP保存型およびCP破れ型二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDM）をLHCデータと照合して評価している。CP保存型の2HDMでは、タイプIIのモデルにおいて、現在のATLASおよびCMSデータと整合する標準模型に類似した振る舞いが可能であることが判明した。一方、CP破れ型のシナリオでは、CP偶性状態とCP奇性状態との間の強い混合が依然として許容されており、現在のデータから強い制約が得られており、今後のLHCランでこれらの制約が著しく厳しくなる見込みである。

ABSTRACT

We confront the most common version of the CP-conserving 2HDM with LHC data, taking into account all previously available experimental data. We also discuss the scenario where the 125 GeV Higgs discovered at the LHC is the lightest neutral scalar of a particular CP-violating 2HDM. In this scenario we focus on what data can already tell us about the amount of mixing between CP-even and CP-odd states.

研究の動機と目的

• LHCデータ、特に精度電弱、フラーバー、ヒッグス系の制約を含めた、最も一般的なCP保存型2HDM（タイプI, II, Y, X）の妥当性を評価すること。
• 125 GeVのヒッグス粒子がCP偶性／CP奇性状態の混合状態であるCP破れ型2HDMのシナリオを調査し、混合度合いに注目すること。
• 2013年モリオンド会議前の後でのLHCデータを用いて、2HDMのパラメータ空間に対する制約を更新すること、特にATLASおよびCMSの統合結果を対象とする。
• 真空安定性、ユニタリティ、実験的制約を課した後も残存するパラメータ空間の領域を同定すること。
• CP破れ型2HDMにおける125 GeVヒッグス粒子のCP奇性成分に対する今後のLHCの感度を予測すること。

提案手法

• 研究では、ソフトな$Z_2$破れを伴う7パラメータのCP保存型2HDMを採用し、$m_{12}^2$、$\tan\beta$、$\alpha$、および質量を自由パラメータとして用い、真空安定性、ユニタリティ、精度電弱測定からの制約を課す。
• CP破れ型モデルでは、複素数の$m_{12}^2$と$\lambda_5$を用い、CP偶性状態とCP奇性状態の間の混合を定義する3つの回転角$\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$を導入し、$s_2 = \sin\alpha_2$を主要な混合パラメータとする。
• 理論的および実験的制約の下でパラメータ空間を走査し、LEPの制約、$b \to s\gamma$の限界、トップクォークの崩壊、ATLASおよびCMSによるヒッグス信号強度測定を含む。
• モデルの予測とデータの比較に、信号強度$R_{\gamma\gamma}$と$R_{ZZ}$を主観測量として用い、1$\sigma$および2$\sigma$の整合性領域をプロットする。
• 最新のATLASおよびCMS統合データを反映した、モリオンド2013会議の更新結果を分析に組み込み、許容可能なパラメータ領域を精緻化する。
• 許容領域を$(\sin\alpha, \tan\beta)$および$(\cos(\beta-\alpha), \tan\beta)$平面に可視化し、標準模型の期待値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CP保存型2HDM（タイプI, II, Y, X）は、ATLASおよびCMSの125 GeVヒッグス信号強度データをどの程度まで適合させられるか？
• RQ2 2013年モリオンド会議前の後でのデータの組み込みが、特にタイプIIモデルの2HDMパラメータ空間の妥当性にどのように影響するか？
• RQ3 現在のLHCデータは、CP破れ型2HDMにおけるCP偶性状態とCP奇性状態の混合にどの程度の制約を課しているか？特に$s_2 = \sin\alpha_2$によって定量化される。
• RQ4 CP破れ型2HDMにおいて、125 GeVヒッグス粒子が純粋なCP偶性状態または純粋なCP奇性状態として特定可能か？また、どの範囲の$s_2$が許容されるか？
• RQ5 今後のLHCデータは、CP破れ型2HDMにおける125 GeVヒッグス粒子のCP奇性成分の許容パラメータ空間をどの程度に狭めるか？

主な発見

• CP保存型2HDMでは、モリオンド2013会議後の更新を経て、タイプIIモデルにおいてATLASおよびCMS両方のデータで、標準模型の信号強度の1$\sigma$以内のパラメータ点が許容可能となった。
• タイプI 2HDMでは、CMSデータのみで、標準模型の1$\sigma$以内の点が許容可能であり、観測されたヒッグス信号との整合性が向上した。
• CP破れ型2HDMでは、$|s_2| > 0.83$（高いCP奇性混合）の領域がATLASデータにより2$\sigma$で除外されたが、更新されたCMSデータでは依然として許容可能であり、両実験間の矛盾が示唆された。
• |$s_2| < 0.1$（ほぼ純粋なCP偶性状態）の領域はデータと整合的であり、中程度の混合（$0.45 < |s_2| < 0.55$）の領域に対しても許容領域が存在し、広い範囲の混合が可能であることが示された。
• 大きな$s_2$の2$\sigma$除外領域は、改善されたデータにより縮小しており、今後のLHCランで125 GeVヒッグス粒子のCP奇性成分に対する制約が著しく厳しくなる見込みである。
• 本研究では、125 GeVヒッグス粒子が純粋な擬スカラー状態ではあり得ないことが確認され、CP破れ型2HDMにおいては、支配的CP偶性成分に加え、非可視なCP奇性混合成分が存在することが制約された。