[論文レビュー] Lepton-specific inert two-Higgs-doublet model confronted with the new results for muon and electron g-2 anomalies and multi-lepton searches at the LHC

Xiao-Fang Han, Tianjun Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、軽いCP偶性ヒッグス粒子（5–35 GeV）がレプトンに特異的なヤコビ付きを介して、ミュオンと電子の$g-2$異常を同時に説明する、レプトン特異的で不活性な2ヒッグスダブルレットモデルを提案する。ミュオンと電子の$g-2$異常は符号が反対であるが、$κ_\mu$、$κ_e$、$κ_\tau$のヤコビ付きを反対符号に調整することで、このモデルは$g-2$異常と$\tau$崩壊におけるレプトンユニバーサリティを同時に満たし、$m_h < 35$ GeV領域におけるLHCのマルチレプトン探索制約に対しても妥当性を保つ。

ABSTRACT

Combining the multi-lepton searches at the LHC, we study the possibilities of accommodating the new data of muon and electron $g-2$ anomalies in the lepton-specific inert two-Higgs-doublet model. We take the heavy CP-even Higgs as the 125 GeV Higgs, and find the muon and electron $g-2$ anomalies can be explained simultaneously in the region of 5 GeV $&lt; m_h&lt;60$ GeV, 200 GeV $

研究の動機と目的

• 標準模型から逸脱するミュオンと電子の$g-2$異常を、その偏差が符号が反対であるという点で同時に説明すること。
• 125 GeVの標準模型に類似したヒッグス粒子より軽い軽いCP偶性ヒッグス$h$を有する、レプトン特異的で不活性な2ヒッグスダブルレットモデルを検討すること。
• 特に$h$質量が35 GeV未塔の領域において、厳しいLHCマルチレプトン探索制約下でのモデルの妥当性を評価すること。
• $Z_2$破れヤコビ付きを導入することで、標準模型に比べて$\tau$崩壊におけるレプトンユニバーサリティの適合を改善すること。

提案手法

• 標準模型に不活性なヒッグスダブルレットを追加し、$Z_2$対称性を導入する。このとき、唯一の標準模型に類似したヒッグス$H$が真空期待値をとる。
• 不活性ヒッグスダブルレットと電荷を帯びるレプトンとの間のヤコビ付きを導入し、$κ_\mu$、$κ_e$、$κ_\tau$を符号が反対になるように調整することで、$g-2$異常を説明する。
• 理論的制約には、$\tau$崩壊ユニバーサリティの木レベル寄与、$Z$ボソン崩壊、および$\tau$崩壊データへの$\chi^2_{\tau}$適合が含まれる。
• $m_h$、$m_A$、$m_{H^\pm}$、およびヤコビ付きのパラメータ空間における数値スキャンを実施し、$g-2$異常、$\chi^2_{\tau}$、LHCマルチレプトン探索の制約を満たすように制約を課す。
• $A$および$H^\pm$の生成および崩壊断面積を計算し、$m_h$が小さい領域では、主に$A/H^\pm \to hZ/W^\pm$の崩壊モードが支配的である。
• LHCの95%信頼区間でのマルチレプトン最終状態の除外限界、特に$h$が連なり合う$\tau$ペアに崩壊する場合の制限を用いて、モデルをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン特異的で不活性な2ヒッグスダブルレットモデルは、4.2σのミュオン$g-2$異常と2.4σの電子$g-2$異常（符号が反対）を、$m_h < 35$ GeVの領域で同時に説明できるか？
• RQ2 35 GeV未塔の軽いCP偶性ヒッグス$h$は、LHCマルチレプトン探索制約下でのモデルの妥当性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 標準模型に比べて、このモデルは$\tau$崩壊におけるレプトンユニバーサリティの適合を改善できるか？
• RQ4 すべての実験的制約を満たすために、ヤコビ付き$\kappa_\mu$、$\kappa_e$、$\kappa_\tau$がとり得る許容範囲は何か？
• RQ5 なぜ$h$質量が35 GeV未塔の領域が、軽い$h$粒子があるにもかかわらずLHCマルチレプトン探索を回避するのに有利とされるのか？

主な発見

• ミュオンと電子の$g-2$異常は、$5~{\rm GeV} < m_h < 35~{\rm GeV}$、$200~{\rm GeV} < m_A < 620~{\rm GeV}$、$190~{\rm GeV} < m_{H^\pm} < 620~{\rm GeV}$のパラメータ領域で同時に説明可能である。
• このモデルは、標準模型よりも$\tau$崩壊におけるレプトンユニバーサリティの適合が良く、$\chi^2_{\tau}$が7.4まで低下し、標準模型の12.3よりも顕著に低い値を示す。
• LHCマルチレプトン探索は、$m_h < 35~{\rm GeV}$に厳しい上限を課しており、特に$h$崩壊が軟らかく連なり合う領域（$m_h < 20~{\rm GeV}$）が最も妥当性が高い。
• すべての制約を満たすために、ヤコビ付きは$15 < -\kappa_\mu < 90$、$5 < \kappa_\tau < 50$、$160 < \kappa_e < 500$に制限される。
• $m_h < 20~{\rm GeV}$の領域では、$A/H^\pm \to hZ/W^\pm$の崩壊モードが支配的となり、$h$を介した$\tau$ペアは連なり合い、検出が困難になるため、LHCの感度が低下する。
• $\chi^2_{\tau}$は$m_{H^\pm} \sim 200~{\rm GeV}$で11.5に最小化され、標準模型の12.3よりも顕著な改善が見られる。