[論文レビュー] Lepton-Specific Two Higgs Doublet Model as a Solution of Muon $g-2$ Anomaly

Tomohiro Abe, Ryosuke Sato+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、ミュオンの $g-2$ 異常を解消するためのレプトン特異的（タイプ-X）2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を提案し、追加のヒッグスボソンのループ効果が実験と標準模型の差を2$\sigma$レベルにまで縮小できることを示している。$\tau$ レプトンの崩壊、フラーバー物理学、および再生化群の進化（RGE）の制約を組み込み、現在のデータと将来のLHC探索と整合するパラメータ領域が得られた。

ABSTRACT

We discuss the Type-X (lepton-specific) two Higgs doublet model as a solution of the anomaly of the muon $g-2$. We consider various experimental constraints on the parameter space such as direct searches for extra Higgs bosons at the LEP II and the LHC Run-I, electroweak precision observables, the decay of $B_s o μ^+μ^-$, and the leptonic decay of the tau lepton. We find that the measurement of the tau decay provides the most important constraint, which excludes the parameter region that can explain the muon $g-2$ anomaly at the 1$σ$ level. We then discuss the phenomenology of extra Higgs bosons and the standard model-like Higgs boson ($h$) to probe the scenario favored by the $g-2$ data at the collider experiments. We find that the $4τ$, $3τ$ and $4τ+ W/Z$ signatures are expected as the main signal of the extra Higgs bosons at the LHC. In addition, we clarify that the value of the $hττ$ coupling is predicted to be the standard model value times about $-1.6$ to $-1.0$, and the branching fraction of the $h o γγ$ mode deviates from the standard model prediction by $-30\%$ to $-15\%$. Furthermore, we find that the exotic decay mode, $h$ decaying into the $Z$ boson and a light CP-odd scalar boson, is allowed, and its branching fraction can be a few percent. These deviations in the property of $h$ will be tested by the precision measurements at future collider experiments.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた長年のミュオン $g-2$ 異常を解消できるかどうかを検討すること。
• これまでの分析で無視されてきた、レプトン的 $\tau$ 崩壊からの厳密な制約を組み込むこと。
• 再生化群の進化（RGE）による妥当性を評価し、四次結合定数が10 TeVまで摂動的（perturbative）であることを保証すること。
• 将来のLHC発見に向けた、$h \to ZA$ や特異的ヒッグス崩壊を含むコライダーのシグネチャを探索すること。

提案手法

• タイプ-X 2HDMにおけるミュオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）の1ループ計算に加え、$A$ および $H^\pm$ ボソンからの2ループBarr-Zee寄与を含む。
• 1ループレベルでの $Z\tau\tau$ 頂点およびレプトン的 $\tau$ 崩壊率の評価により、正確な実験データを用いてモデルを制約する。
• スカラー四次結合定数を10 TeVまで再生化群方程式（RGE）を用いて進化させ、摂動性とユニタリティを保証する。
• LEP II、LHC ルンI、$B_s \to \mu^+\mu^-$ 崩壊、電弱精度観測量からの制約を統合する。
• 有効結合定数と光度関数を用いて、LHCにおけるヒッグス対生成（$HA$、$H^+H^-$、$H^+A$）の部分子レベル断面積をシミュレーションする。
• $h \to ZA$ 崩壊の分岐比を分析し、モデルの検証に重要なシグネチャであると特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-X 2HDMは、すべての現在の制約を満たしつつ、$g-2$ の差を実験値の2$\sigma$以内にまで縮小できるか？
• RQ2 レプトン的 $\tau$ 崩壊は、$g-2$ 異常の文脈において、タイプ-X 2HDMのパラメータ空間にどのように制約を加えるか？
• RQ3 再生化群の進化は、このモデルにおけるスカラー系の安定性と摂動性にどのような影響を及えるか？
• RQ4 $g-2$ に有利なパラメータ領域における追加ヒッグスボソンの主なコライダーのシグネチャは何か？
• RQ5 $h \to ZA$ 崩壊モードは、LHCにおけるこのモデルの特徴的なシグネチャとして機能できるか？

主な発見

• タイプ-X 2HDMは、ループ効果と制約の相互作用のおかげで、$g-\!2$ の差を2$\sigma$レベルまで縮小できるが、1$\sigma$未満にはならない。
• レプトン的 $\tau$ 崩壊の制約を組み込むことで、特に $\tan\beta$ が大きく、$A$ ボソンが軽い場合に、有効なパラメータ空間が著しく制限される。
• スカラー四次結合定数がランダウ極を引き起こさない限り、RGEの進化に従って10 TeVまで摂動的であることが保証される。
• 好ましい領域では、$h \to ZA$ の分岐比が数パーセントに達する可能性があり、特徴的なコライダーのシグネチャを提供する。
• $m_A \lesssim m_h/2$ のとき、$h \to ZA$ 崩壊が強化され、LHCにおける発見に有望なチャンネルとなる。
• このモデルは、$\gamma\gamma$、$ZZ$、$WW$、$\tau\tau$ への$h の結合定数に測定可能なずれを予測しており、現在および将来のLHCランでテスト可能である。