[論文レビュー] Muon $g-2$ in a two-Higgs-doublet model with a type-II seesaw mechanism

Chuan-Hung Chen, Cheng-Wei Chiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

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ひとこと要約

この論文は、タイプ-IIのシーイズ機構を用いた二重ヒッグスダブルレットモデルを提案し、ヒッグスの信号強度制約を満たしつつ、ミュオンのg-2の異常を説明する。二重ループのバール＝ツェー図が、顕著な真空期待値（VEV）を持つ重いヒッグストリプレットを介して、$a_\mu$ に大きな寄与をもたらすことが示され、100 GeVスケールの新しい物理学が軽い異常スカラーを必要とせず実現可能である。また、二重に電荷を帯びたヒッグスボソンの新しい崩壊モードを予測し、LHCにおける新たな探索戦略を要請する。

ABSTRACT

We study the two-Higgs-doublet model with type-II seesaw mechanism. In view of constraints from the Higgs data, we consider the aligned two-Higgs-doublet scheme and its effects on muon anomalous magnetic dipole moment, $a_μ$, including both one-loop and two-loop Barr-Zee type diagrams. Thanks to a sizable trilinear scalar coupling, the Barr-Zee type diagrams mediated by the Higgs triplet fields have a dominant effect on $a_μ$. In particular, unlike the usual two-Higgs-doublet models that require exotic Higgs bosons light in mass, the masses of the corresponding particles in the model are of ${\cal O}(100)$~GeV. The doubly-charged Higgs boson presents a different decay pattern from the usual Higgs triplet model and thus calls for a new collider search strategy, such as multi-$τ$ searches at the LHC.

研究の動機と目的

• 長年の$3.7\sigma$のミュオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）の不一致を、拡張されたスカラー系により解消すること。
• LHCからのヒッグス信号強度制約を厳密に満たしつつ、$\mathcal{O}(100)$ GeVスケールで新しい物理学を許容するモデルを構築すること。
• ヒッグストリプレットを介したレプトン数破れのカップリングにより、自然に軽いニュートリノ質量を生成するタイプ-IIのシーイズ機構を組み込むこと。
• 三重スカラー結合とループレベルの寄与が、軽い異常スカラーを必要とせずに大きな$a_\mu$を生成する役割を果たすかを調査すること。
• 特に二重に電荷を帯びたヒッグスボソンの新たなコライダーのシグネチャを特定し、既存のLHCの制約を回避し、新たな探索戦略を要請すること。

提案手法

• 1つの物理的ヒッグスボソンが標準模型に類似していることから、Higgs信号データと整合性を持つ、アライメントされた二重ヒッグスダブルレット理論（A2HDS）を採用する。
• タイプ-IIのシーイズ機構を実装するため、複素ヒッグストリプレットを導入し、レプトン数破れカップリングを介してニュートリノのメジャー那マスを生成する。
• ヒッグストリプレットと中性および電荷を帯びたヒッグス状態を含む、1ループおよび2ループのバール＝ツェー図を計算し、$a_\mu$ への寄与に注目する。
• ヒッグス基底におけるスカラー・ポテンシャルから、中性ヒッグスボソン（$h$, $H$）と電荷を帯びたヒッグス状態（$\delta^{\pm\pm}$, $\delta^{\pm}$, $H^{\pm}$）の間の三重項結合を導出する。
• 質量関係と混合パターンを用いて、$h$ および $H$ 状態が $v_\Delta$ に比例する一次の項で $\delta^0$ 状態からデカップルすることを示し、解析を単純化する。
• ヒッグストリプレットの質量スペクトルと崩壊モード、特に二重に電荷を帯びたヒッグスボソンの分析を通じて、$\tau\tau$ などのマルチ-$\tau$ 終状態を含む、LHCにおける新たな探索チャネルを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-IIのシーイズ機構を有する二重ヒッグスダブルレットモデルは、LHCのヒッグス信号データと整合しつつ、十分に大きな寄与をミュオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）に与えることができるか？
• RQ2 新しいスカラー粒子の質量が $\mathcal{O}(100)$ GeV の場合、ヒッグストリプレットを介する二重ループのバール＝ツェー図が $a_\mu$ をどのように強化するか？
• RQ3 ヒッグストリプレット系に複数のレプトン数破れパラメータが存在する場合、真空期待値（VEV）およびその結果生じる物性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 このモデルにおける二重に電荷を帯びたヒッグスボソンの特徴的な崩壊モードは何か？また、標準的ヒッグストリプレットモデルとはどのように異なるか？
• RQ5 このモデルは、特にペア生成からの350 GeVの制約を受ける二重に電荷を帯びたヒッグスボソンの既存のLHC制約を回避できるか？また、どのような新たな探索戦略が必要か？

主な発見

• ヒッグストリプレットを介する二重ループのバール＝ツェー図が、$a_\mu$ への寄与を支配し、重い中性ヒッグスボソンが $\mathcal{O}(100)$ GeV であっても、大きなずれを実現可能である。
• トリプレットのVEVによって強化された、ヒッグストリプレットと中性ヒッグスボソン間の顕著な三重項結合のおかげで、モデルは大きな $a_\mu$ 寄与を達成する。
• 10 GeV未満の異常スカラーを必要とする従来の2HDMとは異なり、このモデルは $\mathcal{O}(100)$ GeVスケールの新しい物理学を許容し、LHCのヒッグス信号強度制約を満たす。
• このモデルにおける二重に電荷を帯びたヒッグスボソンは、標準的ヒッグストリプレットモデルよりも豊富な崩壊モードを示し、$\tau\tau$、$\tau\mu$、$\tau e$ 終状態を含む。これは拡張されたスカラー系に起因する。
• 軽い電荷を帯びたヒッグスボソンを介する崩壊を許容することで、このモデルは現在のATLASによる350 GeVの下限値を回避し、LHCにおける多量の$\tau$ 終状態を含む新たな探索戦略を要請する。
• 三重項結合 $\lambda_{h\delta^{--}\delta^{++}} = \Lambda_8$、$\lambda_{H\delta^{-}\delta^{+}} = -\Lambda_{12} - \frac{\Lambda'_{12}}{2}$、および $\lambda_{hH^{-}H^{+}} = \Lambda_3$ が、ループ誘導による $a_\mu$ 寄与の鍵をなしており、これらはヒッグス基底におけるスカラー・ポテンシャルから導出される。