[論文レビュー] Higgs potential and hidden light Higgs scenario in two Higgs doublet models

S. Chang, Sin Kyu Kang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、125 GeVのヒッグス bosonがより重いCP偶性状態$H^0$であり、軽い$h^0$が検出されていない2ヒッグスダブルレットモデル（2HDMs）における隠れた軽いヒッグス状況を調査する。LHCのヒッグス信号強度、降下効果、遮断限界を用いて、ヒッグスポテンシャルに強い制約が得られ、$m_{A}^{0}$および$m_{H^{/pm}}$は約600 GeV未満に制限され、$m_{12}^{2} < (45\,\text{GeV})^2$である。また、タイプII、X、Yでは、$"] 125 GeV ヒッグスボソンがより重いCP偶性状態$H^0$であり、より軽い$h^0$がLEPおよびLHC探索で検出されていない場合、この状況は可能か？

ABSTRACT

In two Higgs doublet models (2HDM), there exists an interesting possibility, the hidden light Higgs scenario, that the discovered SM-like Higgs boson is the heavier extit{CP}-even Higgs boson $H^0$ and the lighter extit{CP}-even $h^0$ has not been observed yet in any experiment. We study the current status of this scenario in Types I, II, X, and Y, through the scans of the 2HDM parameters with all relevant theoretical and experimental constraints. We employ not only the most up-to-date Higgs signal strength measurements with the feed-down effects, but also all the available LHC exclusion limits from heavy Higgs searches. Adjusting the heavier $H^0$ to the 125 GeV state while hiding the lighter $h^0$ from the LEP Higgs search prohibits the extreme decoupling limit: there exist upper bounds on the masses of the pseudoscalar $A^0$ and the charged Higgs $H^\pm$ below about 600 GeV. In addition, the $Z_2$ symmetry is shown to be a good approximate symmetry since the soft $Z_2$ symmetry breaking parameter $m_{12}^2$ should be less than about (45 GeV)$^2$. Most interestingly, a few parameters in the Higgs potential and the related Higgs triple and quartic couplings are shown to be meaningfully constrained by the current data. The double Higgs-strahlung process at an $e^+ e^-$ collider is also studied.

研究の動機と目的

• 2HDMにおける隠れた軽いヒッグス状況の妥当性を評価すること。ここで、125 GeVのヒッグスボソンはより重いCP偶性状態$H^0$であり、より軽い$h^0$は検出されていない。
• 最新のLHCヒッグス信号強度測定値（降下効果を含む）と、重いヒッグス探索からのすべての関連するLHC遮断限界を適用すること。
• この状況がユニタリティ、摂動的可解性、真空安定性といった理論的制約と整合しているかを検証すること。
• 特に$m_{12}^2$、$\lambda_2$、および四次カップリングを、タイプI、II、X、Yの2HDMすべてにおいてヒッグスポテンシャルのパラメータとして制約すること。
• 将来の$e^+e^-$コライダーでの二重ヒッグス放出過程により、$\hat{g}_{hHH}$および$\hat{g}_{HHH}$をプローブする可能性を評価すること。

提案手法

• タイプI、II、X、Yの2HDMすべてにおいて、理論的および実験的制約を組み込んだ、グローバルパラメータスキャンを実施する。
• 最新のLHCヒッグス信号強度データ（降下効果を含む）を適用し、$H^\pm$、$A^0$、$H^0$の崩壊に関するLHC遮断限界と組み合わせる。
• アライメント限界条件と$Z_2$対称性の破れパラメータ$m_{12}^2$を用いて、ヒッグスポテンシャルの構造を制約する。
• 標準模型（SM）値に対する正規化された四次ヒッグスカップリング$\hat{g}_{\phi_i\phi_j\phi_k\phi_\ell}$の偏差を評価する。
• 500 GeVでの$e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$過程を検討し、$\hat{g}_{hHH}$および$\hat{g}_{HHH}$をプローブする。$Z^0$-$H^0$-$A^0$頂点からの寄与も含む。
• 断面積をSM値で正規化し、$m_A \geq m_Z + m_H$のとき$A^0$伝播子の極に起因する増幅を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVのヒッグスボソンがより重いCP偶性状態$H^0$であり、より軽い$h^0$がLEPおよびLHC探索で検出されていない状況は可能か？
• RQ2 隠れた軽いヒッグス状況における、パラメータ$A^0$および$H^\pm$の質量の上限は何か？
• RQ3 この状況における$Z_2$対称性の破れパラメータ$m_{12}^2$はどの程度制約を受けるか？
• RQ4 現在のLHCデータによって、どのヒッグス四次カップリングが最も強く制約を受けるか？
• RQ5 将来のコライダーでの$e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$過程により、$\hat{g}_{hHH}$および$\hat{g}_{HHH}$の大きな増幅をプローブできるか？

主な発見

• パラメータ$A^0$および$H^\pm$の質量上限は約600 GeVであり、極端な分離限界は除外される。
• ソフトな$Z_2$対称性の破れパラメータ$m_{12}^2$は$(45\,\text{GeV})^2$未満に制限され、$Z_2$対称性が良好な近似であることを示唆する。
• タイプII、X、Yでは四次カップリング$\hat{g}_{HHH}$が顕著に制約を受けており、SM値に近く、タイプIではより広い範囲を許容する。
• タイプII、X、Yではカップリング$\hat{g}_{HHHH}$も制約を受けており、SM値からのずれは限定的である。
• $m_A \approx 300$ GeV付近では、$m_A \geq m_Z + m_H$のとき、$e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$の断面積は最大で$10^4$倍に増幅する。特にタイプIおよびXで顕著である。
• ヒッグス四次カップリング$\hat{g}_{hhhh}$および$\hat{g}_{AAAA}$は10倍以上に増幅される可能性があり、$e^+e^- \to Z^0 h^0 h^0 h^0$および$\gamma\gamma \to A^0 A^0 A^0$による観測が可能になる可能性がある。