[論文レビュー] Constraining parameter space in type-II two-Higgs doublet model in light of a 126 GeV Higgs boson

Hyunsoo Cheon, Sin Kyu Kang|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された126 GeVのヒッグス粒子からの信号を用いて、タイプ-II二ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）のパラメータ空間を制約する。カットオフスケールまで真空安定性、摂動的性、ユニタリティを満たすとともに、LEPおよびB物理学の制約を組み込むことで、ヒッグス粒子の質量と混合角の妥当な領域を同定する。その結果、ATLASが観測した増強された二光子崩壊断面積を説明できるのは、軽いヒッグス粒子（h）に限られ、重いヒッグス粒子（H）はそれと整合しないことが示された。

ABSTRACT

We explore the implications of a 126 GeV Higgs boson indicated by the recent LHC results for two-Higgs doublet model (2HDM). Identifying the 126 GeV Higgs boson as either the lighter or heavier of CP even neutral Higgs bosons in 2HDM, we examine how the masses of Higgs fields and mixing parameters can be constrained by the theoretical conditions and experimental constraints. The theoretical conditions taken into account are the vacuum stability, perturbativity and unitarity required to be satisfied up to a cut-off scale. We also show how bounds on the masses of Higgs bosons and mixing parameters depend on the cut-off scale. In addition, we investigate whether the allowed regions of parameter space can accommodate particularly the enhanced di-photon signals, ZZ* and WW* decay modes of the Higgs boson, and examine the prediction of the signal strength of Zγ decay mode for the allowed regions of the parameter space.

研究の動機と目的

• 126 GeVのヒッグス粒子がタイプ-II二ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）に与える影響を検討すること。
• カットオフスケールまで真空安定性、摂動的性、ユニタリティといった理論的条件を適用し、ヒッグス粒子の質量と混合パラメータを制約すること。
• LEPおよびB物理学からの実験的制約が、許容されるパラメータ空間をどの程度さらに制限するかを評価すること。
• LHCデータで観測された増強された二光子、$ZZ^*$、$WW^*$の信号断面積が、許容される領域に収容可能かどうかを評価すること。
• 許容されるパラメータ空間における$Z\gamma$崩壊モードの信号断面積を予測すること。

提案手法

• 研究は、ソフトに破れた$Z_2$対称性をもつ2HDMの正則スカラー項を用い、CP対称性を保つために実数パラメータを仮定する。
• 質量行列形式を用いて物理的ヒッグス粒子の質量を導出し、CP偶数状態では$M_h \leq M_H$、CP奇数および電荷をもつヒッグス粒子については$M_A$、$M_{H^\pm}$をそれぞれ定義する。
• 真空安定性、摂動的性、ユニタリティといった理論的制約をカットオフスケール$\Lambda$まで適用し、結合定数および質量の許容範囲に影響を与える。
• LEPおよびB物理学（例：$b \to s\gamma$）からの実験的制約を組み込み、さらにパラメータ空間を制限する。
• 信号断面積を$\gamma\gamma$、$ZZ^*$、$WW^*$、$Z\gamma$について計算し、混合角$\alpha$および$\tan\beta$を用いてLHCデータと比較する。
• 126 GeVのヒッグス粒子が軽いヒッグス（h）か重いヒッグス（H）かの両方の状況について、許容されるパラメータ領域を比較分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCで観測された126 GeVのヒッグス粒子が、タイプ-II 2HDMにおける軽いCP偶数ヒッグスか重いCP偶数ヒッグスかとして一貫して特定可能か？
• RQ2 カットオフスケールまで適用される真空安定性、摂動的性、ユニタリティの条件が、2HDMにおけるヒッグス粒子の質量と混合パラメータをどの程度制約するか？
• RQ3 LEPおよびB物理学の制約が、2HDMにおける許容されるパラメータ空間をどの程度さらに制限するか？
• RQ4 観測された増強された二光子および$VV^*$信号断面積が、許容されるパラメータ領域内で説明可能か？
• RQ5 許容される2HDMパラメータ空間における$Z\gamma$崩壊モードの信号断面積は予測されるか？

主な発見

• タイプ-II 2HDMにおける許容されるパラメータ空間はカットオフスケール$\Lambda$に強く依存しており、$\Lambda$が小さいと制約が厳しくなる。
• 126 GeVのヒッグス粒子が重いCP偶数ヒッグス（H）として特定される場合、許容されるパラメータ空間はATLASが観測した増強された二光子信号と整合しない。
• 126 GeVのヒッグス粒子が軽いCP偶数ヒッグス（h）として特定される場合、$\Lambda = 1$から$100$ TeVの範囲で、CMSおよびATLASの$\gamma\gamma$、$ZZ^*$、$WW^*$崩壊の信号断面積を両方とも説明できる十分な広がりを持つ許容パラメータ空間が得られる。
• $Z\gamma$崩壊の信号断面積は、許容される領域において標準模型の予測と整合しており、顕著な増強や抑制は見られない。
• タイプ-I 2HDMでは、軽いヒッグス（h）も信号断面積を説明可能であるが、ヤクバイ係数の構造が異なるため、タイプ-IIに比べて二光子の増強はより起こりにくい。
• この分析により、特に$\Lambda$が小さい場合、$\tan\beta$および$\alpha$が理論的および実験的条件によって強く制約されることが示された。