[論文レビュー] CP Violation, Stability and Unitarity of the Two Higgs Doublet Model

Abdul Wahab El Kaffas, O. M. Ogreid+1 more|ArXiv.org|Feb 9, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、CP非保存型2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）におけるCP違反、真空安定性、および木レベルのユニタリティを調査し、ユニタリティ制約が、特に高tanβにおいて、重いヒッグスボソンが存在しない限り、パラメータ空間を著しく制限することを示している。低tanβではトップクォーク系において顕著なCP違反が可能であるが、ボトムクォーク系では、2つの重いヒッグス状態（H₂とH₃）の間で大きな質量差が必要となる。

ABSTRACT

The Two-Higgs-Doublet Model is considered, in its CP-non-conserving version. It is shown quantitatively how vacuum stability and tree-level unitarity in the Higgs-Higgs-scattering sector constrain the parameter space of the model. In particular, at high values of tanbeta, the model violates unitarity, unless some of the Higgs bosons are heavy. In the regime of large CP violation in the neutral-Higgs-t-quark sector, which requires tanbeta lsim 1, the Yukawa coupling parameter space (determined by the neutral-Higgs-sector rotation matrix) is reasonably unconstrained. On the other hand, the corresponding neutral-Higgs-b-quark sector allows for large CP violation at tanbeta gg 1. However, here the model is more constrained: Significant CP violation is correlated with a considerable splitting among the two heavier Higgs bosons.

研究の動機と目的

• CP非保存型2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）におけるCP違反、真空安定性、および木レベルのユニタリティの相乗的相互作用を体系的に分析すること。
• 特にユニタリティおよびヒッグスポテンシャルの正定性という理論的制約が、モデルの許容されるパラメータ空間をどのように制限するかを特定すること。
• CP違反ヤクバイカップリングとヒッグス質量スペクトルの相関、特にtクォークおよびbクォーク系において調査すること。
• ユニタリティや真空安定性を破らない範囲で顕著なCP違反が実現可能なパラメータ空間の領域を同定すること。
• ヒッグス質量のスプリングおよびtanβが、2HDMにおけるCP違反現象の実現または制限に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 5つの四次カップリング（λ₁–λ₅）を用いた2HDMポテンシャルのパrametrizationを採用し、複素数のλ₅およびm₁₂²を導入することでCP違反を誘導する。
• 3つの角度（α₁, α₂, α₃）でパrametr化された混合行列Rを用い、3つの中性ヒッグス状態（H₁, H₂, H₃）の混合を記述する。
• ヒッグスポテンシャルが大きな場の値で下界に有界であることを要求することで真空安定性を確保し、四次カップリングに対する正定性条件を導出する。
• ヒッグス-ヒッグス散乱振幅に対する木レベルのユニタリティ制約を適用し、特に高tanβ領域におけるヒッグス質量の上限を導出する。
• ユニタリティおよび真空安定性の制約を満たす質量（M₁, M₂, M₃）、tanβ、および混合角（α₁, α₂, α₃）のパラメータ空間に対する数値スキャンを実施する。
• 回転行列Rを介してトップおよびボトムクォークへのヤクバイカップリングを分析し、混合角と観測可能なCP違反効果との関連を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニタリティおよび真空安定性の制約が、CP非保存型2HDMの許容されるパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ2 tクォーク系における顕著なCP違反とtanβおよびヒッグス質量スプリングの値との関係は何か？
• RQ3 bクォーク系において顕著なCP違反が可能となるパラメータ領域はどこか、またそのために必要な質量および混合条件は何か？
• RQ4 質量が300 GeVを超える重いchargedヒッグス（Mₕ₊ > 300 GeV）が存在する場合、2HDMにおける顕著なCP違反の実現可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 混合角α₁, α₂, α₃が、ヒッグス-フェルミオンカップリングにおけるCP違反の度合いをどの程度決定づけるか？

主な発見

• 高tanβにおいては、2つの重いヒッグスボソン（H₂とH₃）が最も軽いヒッグスよりも著しく重い場合を除き、2HDMはユニタリティを破る。許容領域ではM₃/M₂ > 1.5が一般的である。
• tクォーク系における顕著なCP違反（t̄tH₁カップリング）は、tanβ ≲ 1である必要があり、ユニタリティおよび真空安定性によるヤクバイカップリング空間の制約は弱い。
• 一方、bクォーク系における顕著なCP違反（b̄bH₁カップリング）は、tanβ ≫ 1のときのみ可能であり、これはH₂とH₃の間で顕著な質量差（M₃/M₂ > 1.5）を要する。ほとんどの許容配置で同様のスプリングが見られる。
• μが増加する（μ = 200–600 GeV）と、許容解はα₁ ≃ ±π/2およびα₂ ≃ ±π/2にシフトし、最も軽いヒッグスへのCP保存的カップリングを促進するが、α₁ ≃ 0およびα₂ ≃ 0付近にも解の島が依然として存在する。
• μ = 0のとき、低tanβにおける解は|α₁|が小さく、|α₂|が小さく、α₃が大きな領域に集約するが、これはtクォーク系におけるCP違反に有利である。しかし、tanβが増加するにつれてこの領域の解の数は減少する。
• tanβ > 10では、許容されるM₃の値がM₂に非常に近い狭いバンドに強く制約され、高tanβにおける強いユニタリティ制約が示され、tanβ = 10のとき93.7%の解がM₃/M₂ < 1.1を満たす。