[論文レビュー] A Tale of Two Twin Higgses: Addressing Little Hierarchy in Natural 2HDM Framework

Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、明示的な Z₂ 破れ項を避けるために、自発的 Z₂ 対称性の破れを通じて真空中のずれを実現することにより、小さな階層問題を解決する自然な2HDM（2つのツイン ヒッグスを有する2つのヒッグスダブルレットモデル）を提案する。4つのメカニズム—放射的、タポール誘導、四次項誘導、明示的 Z₂ 破れ—を体系的に分類し、2つのツイン ヒッグスによる自発的破れが微調整を低減し、電弱スケールを安定化させつつ自然性を保つことを示している。

ABSTRACT

In original twin Higgs model, vacuum misalignment between electroweak and new physics scales is realized by adding explicit $\mathbb{Z}_2$ breaking term. Introducing additional twin Higgs could accommodate spontaneous $\mathbb{Z}_2$ breaking, which explains the origin of this misalignment. We introduce a class of two twin Higgs doublet models with most general scalar potential, and discuss general conditions which trigger electroweak and $\mathbb{Z}_2$ symmetry breaking. Various scenarios on realising the vacuum misalignment are systematically discussed in a natural two Higgs double model framework: explicit $\mathbb{Z}_2$ breaking, radiative $\mathbb{Z}_2$ breaking, tadpole-induced $\mathbb{Z}_2$ breaking, and quartic-induced $\mathbb{Z}_2$ breaking. We investigate the Higgs mass spectra and the Higgs phenomenology in these scenarios.

研究の動機と目的

• 明示的な Z₂ 破れ項の必要性を排除することで、ツイン ヒッグスモデルにおける小さな階層問題を解決すること。
• 電弱スケールと新しい物理学スケールの間の真空中のずれ（v ≪ f）が、自発的 Z₂ 破れを通じて自然に実現できる方法を明らかにすること。
• 放射的、タポール誘導、四次項誘導、明示的 Z₂ 破れの4つの異なるメカニズムが、Z₂ 対称性および電弱対称性の破れを引き起こす仕組みを分類・分析すること。
• 2つのツイン ヒッグスダブルレットを有する自然な 2HDM フレームワークにおけるヒッグス質量スペクトルと物性を調査すること。
• 完全なスカラー質量行列の構造を導出し、質量固有状態基底における標準模型に類似したヒッグス粒子を同定すること。

提案手法

• 2つのヒッグスダブルの一般スカラー潜在エネルギ―（双線形、三線形、四次項を含む）を持つ2つのツイン ヒッグスダブルレットモデルを構築する。
• 真空期待値（vev）が f₁ および f₂ で、混合角が θ₁ および θ₂ である2つのヒッグスダブルレットに基づいてスカラー潜在エネルギ―を記述する。
• 標準模型とツイン セクターの間の Z₂ 対称性を適用し、双線形または三線形結合によって誘導される自発的破れを導入する。
• 回転形式を用いて電荷付きおよび CP 奇性中性スカラー質量行列を対角化し、ゴルドストーン粒子と物理状態を同定する。
• Re(h₁⁰), Re(h₂⁰) 基底における CP 偶性ヒッグス領域の 2×2 質量行列を導出し、m_h₁h₁², m_h₂h₂², m_h₁h₂² の明示的表現を求める。
• 質量固有状態（h, H）への回転を適用し、混合角 α を tan(2α) = 2m_h₁h₂² / (m_h₁h₁² - m_h₂h₂²) で定義し、h を標準模型に類似したヒッグス粒子と同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ツイン ヒッグスモデルにおいて、明示的な Z₂ 破れ項を一切用いずに、真空中のずれ（v ≪ f）をどのように達成できるか？
• RQ2 放射的、タポール誘導、四次項誘導、明示的 Z₂ 破れの4つの異なるメカニズムが、2つのツイン ヒッグス 2HDM における自発的 Z₂ 破れを引き起こす仕組みは何か？
• RQ3 ヒッグス質量スペクトルと混合角が、f₁, f₂, θ₁, θ₂, および m₁₂² などのスカラー潜在エネルギ―のパラメータにどのように依存するか？
• RQ4 双線形結合（m₁₂²）と四次結合（λ₄₅, δ₄₅）が、ヒッグス状態の質量分裂と混合を生成する役割は何か？
• RQ5 質量固有状態基底において、標準模型に類似したヒッグス粒子を一貫して同定できるか？その結合定数と質量に課される制約は何か？

主な発見

• 2つのツイン ヒッグスによる自発的 Z₂ 破れは、明示的な Z₂ 破れ項の必要性を排除し、微調整を約 2v²/f² に低減する。
• モデルは、放射的、タポール誘導、四次項誘導、明示的 Z₂ 破れの4つの異なるメカニズムを通じて真空中のずれを実現するが、それぞれ異なるパラメータ依存性を示す。
• Z₂ 対称性が保たれている場合、電荷付きおよび CP 奇性中性スカラー領域には正確なゴルドストーン粒子（C±, z⁰）が存在し、混合から物理状態 H±, A₁⁰, A₂⁰ が生じる。
• CP 偶性ヒッグス質量行列は f₁, f₂, θ₁, θ₂, m₁₂², および結合定数 δ₁, δ₂, δ₃₄₅, λ₄₅ を用いて記述され、物理的質量 m_h, m_H は対角化によって得られる。
• 対角化後の最も軽い CP 偶性状態として、標準模型に類似したヒッグス粒子 h が同定され、その質量と結合定数は tan(2α) = 2m_h₁h₂² / (m_h₁h₁² - m_h₂h₂²) で定義される回転角 α に依存する。
• モデルは、混合角とソフト破れ項に敏感な重いヒッグス領域を予測し、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）および将来の衝突型加速器における物性的検証が可能である。