[論文レビュー] Muon g-2 and a type-X two Higgs doublet scenario: some studies in high-scale validity

Atri Dey, Jayita Lahiri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、軽い準スカラー粒子を通じて観測されたミュオンの異常磁気モーメント（$g-2$）を説明するタイプ-X 2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）の高エネルギースケールでの有効性を調査する。2ループの整合性方程式を用いて、特に大きな $\tan\beta$ と非標準模型スカラーの質量が縮退している領域で、摂動的ユニタリティと真空安定性がプラントルスケールまで保たれるパラメータ領域を同定する。これは、この $g-2$ に整合する状況のUV完備性を示唆している。

ABSTRACT

We study the high-scale validity of a Type-X two Higgs doublet scenario which provides an explanation of the observed value of muon $(g-2)$. This region admits of a pseudoscalar physical state, which is well below the observed 125-GeV scalar in mass. A second neutral scalar particle can be both above and below 125 GeV in such a scenario. Admissible regions in the parameter space are obtained by using the most recent data on muon $(g-2)$, theoretical constraints such as low-scale perturbativity and vacuum stability, and also all experimental constraints, including the available LHC results. Among other things, both the aforesaid orders of CP-even neutral scalar masses are included in our benchmark studies. Two-loop renormalisation group equations are used to predict the values of various couplings at high scales, and the regions in the space spanned by low-scale parameters, which retain perturbative unitarity as well as vacuum stability upto various scales are identified. We thus conclude that such a scenario, while successfully explaining the observed muon $(g-2)$, can be valid upto energy scales ranging from $10^{4}$ GeV to the Planck scale, thus opening up directions of thought on its ultraviolet completion.

研究の動機と目的

• 軽い準スカラーを介して観測されたミュオンの異常磁気モーメント（$g-2$）を説明するタイプ-X 2HDM の高スケール有効性を評価すること。
• 低スケールでの摂動的ユニタリティ、真空安定性、およびすべての実験的制約（特に $h_{SM} \to AA$ の LHC での制限を含む）を満たす、妥当なパラメータ領域を同定すること。
• このような $g-2$ に整合するモデルが、高エネルギー領域、特にプラントルスケールまで摂動的で安定しているかどうかを特定すること。
• 特にゲージ結合定数の統合と $\tan\beta$、ヤクバイ符号、スカラー質量の縮退の役割に関連して、UV 完備性への影響を検討すること。
• 1ループと2ループの整合性方程式の効果を比較し、主な結果の定性的な頑健性を確認すること。

提案手法

• 電弱スケールから高エネルギー領域への四次結合定数の進化を、2ループの整合性方程式（RGE）を用いて行う。
• 理論的制約の適用：低スケールでの摂動的ユニタリティ、真空安定性、スカラー位相の木構造の正定性。
• 実験的制約の統合：最新の $g-2$ 測定（3$\sigma$ のずれ）、$h_{SM} \to AA$ 分岐比に対する LHC の制限、および $m_A < 100$ GeV の準スカラー。
• パラメータ空間のスキャン：125 GeV ヒッグスをより軽いCP偶性スカラーとするか、より重いCP偶性スカラーとするかを変化させ、右符号・間違った符号のヤクバイ結合を含む4つのケースを検討。
• ベンチマークポイントを用いて、四次結合定数（$\lambda_1, \lambda_2, \lambda_3, \lambda_4, \lambda_5$）のRGEによる挙動を検討し、高スケールでの有効性領域を同定。
• 1ループと2ループのRGE結果を比較し、特に $\lambda_1$ と $\lambda_5$ のような主要な制御パラメータの同定において、定性的な頑健性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 GeV未満の軽い準スカラー（$m_A \lesssim 100$ GeV）を有するタイプ-X 2HDM は、LHC や電弱的制約すべてと整合しながら、観測されたミュオン $g-2$ の不一致を説明できるか？
• RQ2 タイプ-X 2HDM において、摂動的ユニタリティと真空安定性が高エネルギー領域、特にプラントルスケールまで保持されるパラメータ領域はどこか？
• RQ3 非標準模型スカラーの質量と $\tan\beta$ の値が、モデルの高スケール有効性にどのように影響するか？
• RQ4 四次結合定数 $\lambda_1$、$\lambda_5$、$\lambda_2$ は、モデルのUV挙動を決定づける役割を果たしており、$g-2$ や $BR(h_{SM} \to AA)$ の制約によってどのように影響を受けるか？
• RQ5 モデルの高スケール有効性は、125 GeV ヒッグスがより軽いCP偶性スカラーか、より重いCP偶性スカラーかに依存するか？そして、これはUV完備の可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 大きな $\tan\beta > 20$ を有するモデルは、$g-2$ のデータに好都合であるが、高スケールでの有効性と矛盾を生じる。
• 電弱スケールでの四次結合定数が小さい領域では、特に非標準模型スカラーの質量が125 GeVに近い縮退している場合、プラントルスケールまで有効性が延長される。
• 四次結合定数 $\lambda_1$ と $\lambda_5$ は高スケール挙動の主な駆動要因であり、$g-2$ や $BR(h_{SM} \to AA)$ の制約の影響をほとんど受けることがない。
• 結合定数 $\lambda_2$ は $g-2$ と $BR(h_{SM} \to AA)$ の両方の制約によって強く制限されるが、高スケール有効性の決定要因としては軽微な役割を果たす。
• 非標準模型スカラーがほぼ縮退しており、125 GeV ヒッグスに近い質量を持つ場合、高スケール有効性が最も良好になる。特に、125 GeV ヒッグスがより重いCP偶性スカラーである場合に顕著である。
• 125 GeV ヒッグスがより軽いCP偶性スカラーであるケース（ケース1）は、高スケール有効性において最も不利益であるが、ケース3と4（非標準模型スカラーがより軽い場合）では、プラントルスケールまで有効性が延長される。