[論文レビュー] On distinguishing the direct and spontaneous CP violation in 2HDM

Dorota Sokołowska, Maria Krawczyk+1 more|ArXiv.org|Dec 1, 2008

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、2HDMにおける明示的および自発的CP対称性の破れを区別するための基礎不変な手法を提示する。2つのCP奇性の弱基底不変量、$J$-不変量と$I$-不変量を用いる。$J$-不変量はスカラー自己相互作用におけるCP対称性の破れを検出するが、$I$-不変量はラグランジアンパラメータにおける明示的CP対称性の破れを特定する。主な貢献は、物理的ヒッグス状態が明確なCP量子数を持つが、複素$λ_7$結合を通じてCP対称性の破れが生じる「CP混合を伴わないCP対称性の破れ」という新しい状況の同定である。この状況では、奇数個のCP奇性の場の頂点が生じる。

ABSTRACT

The most general Two Higgs Doublet Model (2HDM) allows both for the explicit and the spontaneous CP violation in the scalar sector. Here we discuss CP violation in terms of basis-independent quantities and show how using two different sets of known CP-odd weak-basis invariants one can distinguish between CP conservation, explicit CP violation and spontaneous CP violation. The special case of CP violation without CP mixing, in which the neutral Higgs gauge boson interaction respects CP while Higgs self-interaction violates CP symmetry, is also presented.

研究の動機と目的

• 2HDMスカラー系における明示的および自発的CP対称性の破れを区別する基礎不変な手法の開発。
• $J$-および$I$-不変量が異なる種類のCP対称性の破れを検出する役割を明確化すること。
• 物理的ヒッグス状態が明確なCP量子数を持つが、相互作用がCP対称性を破る「CP混合を伴わないCP対称性の破れ」の存在を調査すること。
• ゲージボソンの結合や質量行列がCP対称性を保つ場合でも、CP対称性の破れが生じる自己相互作用が存在しうることを示すこと。
• 2HDMにおけるCP対称性の破れが、異なるCPパリティの状態間のCP混合に等しいという誤解を解消すること。

提案手法

• 本研究では、基礎不変なCP奇性の不変量として、$J$-不変量（ジャールスコグ不変量に類似）と、CP対称性の破れの異なる側面に敏感な$I$-不変量を用いる。
• ヒッグス基底を用いてスカラー二重項を物理的場に分解する：CP偶性（$\eta_1, \eta_2$）およびCP奇性（$A$）の場を導入し、質量行列と結合定数の解析を可能にする。
• 中性ヒッグス状態の質量行列をヒッグス基底で構築し、非対角成分がCP混合を示す。$M_{13}, M_{23}$がゼロであればCP混合は存在しない。
• $J$-不変量は、四次結合定数$\lambda_5, \lambda_6, \lambda_7$の虚数部から計算され、特に$J_2, J_3 \propto \text{Im}(\lambda_7)$が自己相互作用におけるCP対称性の破れを検出する。
• $I$-不変量は、ラグランジアンパラメータの複素性に起因するCP対称性の破れが明示的かどうかを特定するために用いられ、$I_i = 0$であれば明示的CP対称性の破れは存在しない。
• $J$-および$I$-不変量の比較により、CP挙動を分類する：$J \neq 0, I = 0$は自発的CP対称性の破れを示し、$J \neq 0, I \neq 0$は明示的CP対称性の破れを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMスカラー系において、$J$-および$I$-不変量を併用することで、明示的および自発的CP対称性の破れを区別できるか？
• RQ2 異なるCPパリティの状態間のCP混合を伴わない2HDMにおけるCP対称性の破れは可能か？
• RQ3 ゲージ結合や質量行列がCP対称性を保つ場合、複素パラメータ$\lambda_7$はCP対称性の破れを生じる自己相互作用をどのように生成するか？
• RQ4 $J$-および$I$-不変量はCP対称性の破れの異なる種類にどのように反応し、基礎不変な方法でCP対称性の性質を分類できるか？
• RQ5 物理的ヒッグス状態が明確なCP量子数を持つモデルにおいて、$A \to HH$ や $A \to hH$ といったCP対称性の破れを伴う崩壊モードが生じうるか？

主な発見

• $J$-不変量はヒッグス自己相互作用におけるCP対称性の破れを検出する。$\text{Im}(\lambda_7) \neq 0$のとき$J_2, J_3 \neq 0$であり、CP混合が存在しない場合でも成立する。
• $I$-不変量はすべてのラグランジアンパラメータが実数のときゼロとなり、明示的CP対称性の破れが存在しないことを示す。非ゼロの$I_i$値は明示的CP対称性の破れを示唆する。
• CP混合なしの状況では$M_{13} = M_{23} = 0$であるため、物理的ヒッグス状態$h, H, A$は明確なCP量子数を持つが、$J$-不変量は依然として非ゼロである。
• $\text{Im}(\lambda_7) \neq 0$の存在は、$AAA$, $Ahh$, $AHH$, $AhH$ などのCP奇性の三体結合定数を生じさせ、CP保存モデルでは禁じられている。
• CP対称性の破れ自己相互作用のおかげで、CP奇性ヒッグス$A$の新しい崩壊モード、たとえば$A \to hh$, $A \to HH$, $A \to H^+H^-$ が可能になる。
• $J \neq 0$かつ$I = 0$の組み合わせは自発的CP対称性の破れを特定し、$J \neq 0$かつ$I \neq 0$の組み合わせは明示的CP対称性の破れを特定する。これにより、2HDMスカラー系におけるCP挙動の完全な分類が可能になる。