[論文レビュー] Prospects of light charged scalars in a three Higgs doublet model with $Z_3$ symmetry

Manimala Chakraborti, Dipankar Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、アライメント限界における$Z_3$対称性を有する三ヒッグスダブルレットモデル（3HDM）を調査し、型II 2HDMと比較して、電荷付きヒッグスのカップリングに追加の抑制が生じるため、フレーバー物理学的制約が著しく緩和されることを示している。その結果、LHCの精度測定および二光子崩壊断面積と整合的でありながら、電荷付きヒッグスの質量が$mathcal{O}(200~ text{GeV})$程度まで低下することが可能となる。

ABSTRACT

The stringent constraints from the direct searches for exotic scalars at the LHC as well as indirect bounds from flavor physics measurements have imposed severe restrictions on the parameter space of new physics models featuring extended Higgs sectors. In the Type-II 2HDM, this implies a lower bound on the charged Higgs masses of $\cal O$(600 GeV). In this work we analyze the phenomenology of a Z3HDM in the alignment limit focusing on the impact of flavor physics constraints on its parameter space. We show that the couplings of the two charged Higgs bosons in this model feature an additional suppression factor compared to Type-II 2HDM. This gives rise to a significant relaxation of the flavor physics constraints in this model, allowing the charged Higgs masses to be as low as $\cal O$(200 GeV). We also consider the constraints coming from precision electroweak observables and the observed diphoton decay rate of the 125 GeV Higgs boson at the LHC. The bounds coming from the direct searches of nonstandard Higgs bosons at the LHC, particularly those from resonance searches in the ditau channel, prove to be very effective in constraining this scenario further.

研究の動機と目的

• アライメント限界における$Z_3$-対称な三ヒッグスダブルレットモデル（3HDM）のフェノメノロジーを調査すること。このとき、最も軽いCP偶性のヒッグスは125 GeVの標準模型に類似した性質を示す。
• 特に$b \to s\gamma$および$B_q$混合から生じるフレーバー物理学的制約が、モデルのパラメータ空間に与える影響を評価すること。
• 電荷付きヒッグスが2つ存在し、カップリングが抑制されていることにより、型II 2HDMと比較してより軽い質量が可能かどうかを特定すること。
• LHCにおける125 GeVヒッグスの二光子崩壊断面積および精度電弱観測量からの制約を評価すること。
• 特に$\tau\tau$最終状態における直接的なLHC共鳴探索が、妥当なパラメータ空間に与える影響を分析すること。

提案手法

• モデルは、真空期待値および混合角に関する解析的条件によってアライメント限界が強制される$Z_3$-対称な3HDMを採用する。
• フェルミオンへの電荷付きヒッグスのカップリングは、$\tan\beta_1$、$\tan\beta_2$および$\gamma_2$の相互作用により、型II 2HDMと比較して追加の要因で抑制される。
• $b \to s\gamma$の分岐比および$B_q$混合（$\Delta M_{B_q}$）といったフレーバー観測量は、両方の電荷付きヒッグス状態を含む1ループ箱図を用いて計算され、有効ラグランジアンから導かれたループ関数$I_1$および$I_2$が用いられる。
• 125 GeVヒッグスの二光子崩壊断面積は、電荷付きヒッグスのループ寄与を用いて評価され、観測された125 GeVの信号強度と整合していることを確認する。
• $\rho$-パラメータおよび直接的なLHC探索（特に$\gamma\gamma$および$\tau\tau$最終状態）からの制約が、パラメータ空間に適用される。
• $m_{H^+}$、$\tan\beta_1$、$\tan\beta_2$および$\gamma_2$を含むモデルパラメータの数値スキャンが実施され、すべての実験的制約と整合する領域が同定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z_3$-対称な3HDMに2つの電荷付きヒッグスが存在する場合、600 GeV未満の軽い電荷付きヒッグス質量が、フレーバー物理学的制約を満たしながら実現可能か？
• RQ2 この3HDMモデルにおける電荷付きヒッグスカップリングの追加の抑制は、型II 2HDMと比較して$b \to s\gamma$および$B_q$混合からの制約にどのように影響するか？
• RQ3 精度電弱測定および125 GeVヒッグスの二光子崩壊断面積は、モデルの妥当なパラメータ空間にどのような影響を与えるか？
• RQ4 特に$\tau\tau$最終状態における直接的なLHC探索は、このモデルにおける軽い電荷付きスカラーのパラメータ空間をどれほど効果的に制約するか？
• RQ5 すべての低エネルギーおよび高エネルギー実験的データと整合しつつ、$Z_3$-対称な3HDMでアライメント限界を一貫して実現可能か？

主な発見

• 電荷付きヒッグスカップリングに生じる追加の抑制要因（$\tan\beta_1$、$\tan\beta_2$および$\gamma_2$の相互作用に起因）のおかげで、型II 2HDMと比較してフレーバー物理学的制約が著しく緩和される。
• その結果、型II 2HDMの典型的な600 GeV下限値とは異なり、電荷付きヒッグス質量が$ mathcal{O}(200~\u001c text{GeV})$程度まで低下することが許容される。
• Yukawaカップリングの対称的構造とアライメント限界のおかげで、$\rho$-パラメータの制約は自動的に満たされる。
• 125 GeVヒッグスの二光子崩壊断面積は、観測されたLHCの値と整合的であり、電荷付きヒッグスのループ寄与による修正は実験的制約内に収まっている。
• 特に$m_{H^+} \lesssim 300~\u001c text{GeV}$の領域において、直接的なLHC探索（特に$\tau\tau$共鳴チャンネル）が強力な制約を加え、パラメータ空間の大部分を除外している。
• フレーバー物理学的制約、精度電弱観測量、二光子崩壊、直接探索の組み合わせによる制約により、$\tan\beta_1$および$\tan\beta_2$が適切に調整されていれば、軽い電荷付きヒッグスを有する妥当なパラメータ空間が存在する。