[論文レビュー] Higgs Boson Contributions to the Electron Electric Dipole Moment

Daniel Egaña-Ugrinovic, Scott Thomas|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、重いヒッグスの脱結合限界近くで、Glashow-Weinberg条件を満たす2つのヒッグスダブルレットモデル（2HDM）における電子電気双極モーメント（eEDM）へのヒッグスボソンの寄与を、有効場理論的手法を用いて計算している。主要な寄与は、標準模型の粒子のみを含む2ループBarr-Zee図から生じ、ACME II実験からの制約により、ヒッグスがフェルミオンへ結合する際のT破れ位相は1,000分の1レベルで制限されている。

ABSTRACT

The contributions of a second Higgs doublet to the electron electric dipole moment near the heavy Higgs decoupling limit are determined within an effective field theory framework. In models that satisfy the Glashow-Weinberg condition, the leading contributions in this limit at effective dimension six are shown to come from two-loop Barr-Zee diagrams that include the Standard Model-like Higgs boson. Additional diagrams that include heavy Higgs bosons are sub-leading and contribute only at effective dimension eight near the decoupling limit. This simplification implies that to leading order in this limit, contributions of a second Higgs doublet to the electron electric dipole moment can be couched entirely in terms of the ratio of Higgs doublet expectation values and a single universal phase appearing in the effective couplings of the Standard Model-like Higgs boson to fermions, without direct reference to the heavy Higgs boson masses or couplings. The recent bound from the ACME II experiment constrains the phases of the couplings of the Standard Model-like Higgs boson to up-type quarks and leptons at the part per mil level in Type I and IV two Higgs doublet models. In Type II and III models these phases are constrained at the two parts per mil or better level except in a tiny sliver of parameter space with nearly equal Higgs doublet expectation values where destructive interference among contributing diagrams happens to occur. In a more general phenomenological parameterization with individual effective phases in the couplings of the Standard Model-like Higgs boson to third generation fermions and the electron, the top quark and electron coupling phases are constrained at the part per mil level except in tiny slivers of parameter space, while the bottom quark and tau-lepton coupling phases are constrained only at the thirty percent level.

研究の動機と目的

• 重いヒッグスの脱結合限界において、第二ヒッグスダブルレットが電子電気双極モーメント（eEDM）に与える主要な寄与を特定すること。
• 標準模型のゲージボソン、第3世代フェルミオン、およびSMに類似たヒッグスボソンのみを含む2ループBarr-Zee図が支配的であることを同定すること。
• 重いヒッグスボソンからの寄与が副次的であり、有効次元8でのみ現れることを示すこと。
• ACME II eEDMの実験的制約を用いて、ヒッグスがフェルミオンへ結合する際の位相を制約すること。
• 複数のT破れヤコビ係数が存在する状況における破壊的干渉のeEDM制約への影響を分析すること。

提案手法

• 重いヒッグス状態を脱結合限界で統合するための有効場理論（EFT）フレームワークを用いる。
• 重いヒッグス質量の逆数の累乗で展開する系統的な演算子積展開（OPE）を実施し、寄与を有効次元別に整理する。
• 標準模型のゲージボソンと第3世代フェルミオンを含む2ループBarr-Zee図から生じる有効次元6の主要寄与を同定する。
• ヒッグス真空期待値の比であるtanβと、SMに類似たヒッグスの結合における一様な位相のみが、主要寄与において関係するパラメータであるとみなす。
• ACME IIの実験的制約 |de| < 1.1×10⁻²⁹ e·cm を用いて、有効ヤコビカップリング修正因子の虚部を制約する。
• 数値的等高線プロットを用いて、複数のT破れヤコビカップリング間の干渉効果を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いヒッグスの脱結合限界において、第二ヒッグスダブルレットが電子電気双極モーメントに与える支配的2ループ寄与は何か？
• RQ2 脱結合限界において、重いヒッグスボソンからの寄与と標準模型粒子からの寄与はどのように比較できるか？
• RQ3 ACME II eEDM実験から、ヒッグスが上型クォークおよびレプトンへ結合する際のT破れ位相にどのような制約が得られるか？
• RQ4 異なるT破れヤコビカップリング間の破壊的干渉は、eEDM制約の感度にどのように影響するか？
• RQ5 eEDMは、SMに類似したヒッグスカップリングにおけるtanβと一様な位相のみで記述できる程度はどの程度か？

主な発見

• 有効次元6において、支配的なeEDM寄与は、標準模型のゲージボソン、第3世代フェルミオン、およびSMに類似したヒッグスボソンを含む2ループBarr-Zee図から生じる。
• 重いヒッグスボソンを含む図からの寄与は副次的であり、脱結合限界近くでは有効次元8でのみ現れる。
• 主な寄与においてeEDMは、重いヒッグスの質量やカップリングに依存せず、tanβとSMに類似したヒッグスがフェルミオンへ結合する際の一様な位相のみに依存する。
• ACME IIの制約により、タイプIおよびタイプIVの2HDMにおいて、上型クォークおよびレプトンへのヤコビカップリング修正因子の虚部は1,000分の1レベルで制約される。
• タイプIIおよびタイプIIIのモデルでは、tanβの値がほぼ等しい狭い領域を除き、制約は2,000分の1レベルまたはそれ以上であり、破壊的干渉により感度が低下する。
• 一般化されたパrameterizationにおいて、トップおよび電子のカップリング位相は1,000分の1レベルで制約されるが、ボトムおよびタウの位相は、破壊的干渉が生じる小さな領域を除き、30%レベルでのみ制約される。