[論文レビュー] Scrutinizing the Alignment Limit in Two-Higgs-Doublet Models. Part 1: $m_h = 125$ GeV

Jérémy Bernon, John F. Gunion+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、125 GeVのヒッグス粒子（h）がゲージボソンへのカップリングが標準模型（SM）に類似している（C_V ≈ 1）が、他のヒッグス状態が重くない場合の、CP保存型IおよびIIの2ヒッグスダブルレットモデル（2HDMs）におけるアライメント限界を調査している。2HDMCおよびLilithを用いた数値スキャンにより、重い他のヒッグス状態がなくても、軽い追加ヒッグス状態を伴うアライメントが実現可能なパラメータ領域を同定し、特にLHCラン2の発見可能性に向けた明確なフェノメノロジカルなシグネチャーと制約を明らかにした。

ABSTRACT

In the alignment limit of a multi-doublet Higgs sector, one of the Higgs mass eigenstates aligns with the direction of the scalar field vacuum expectation values, and its couplings approach those of the Standard Model (SM) Higgs boson. We consider CP-conserving Two-Higgs-Doublet Models (2HDMs) of Type I and Type II near the alignment limit in which the lighter of the two CP-even Higgs bosons, $h$, is the SM-like state observed at 125 GeV. In particular, we focus on the 2HDM parameter regime where the coupling of $h$ to gauge bosons approaches that of the SM. We review the theoretical structure and analyze the phenomenological implications of the regime of alignment limit without decoupling, in which the other Higgs scalar masses are not significantly larger than $m_h$ and thus do not decouple from the effective theory at the electroweak scale. For the numerical analysis, we perform scans of the 2HDM parameter space employing the software packages 2HDMC and Lilith, taking into account all relevant pre-LHC constraints, the latest constraints from the measurements of the 125 GeV Higgs signal at the LHC, as well as the most recent limits coming from searches for heavy Higgs-like states. We contrast these results with the alignment limit achieved via the decoupling of heavier scalar states, where $h$ is the only light Higgs scalar. Implications for Run 2 at the LHC, including expectations for observing the other scalar states, are also discussed.

研究の動機と目的

• 125 GeVのヒッグス粒子hがゲージボソンへのカップリングが標準模型（SM）に類似している（C_V ≈ 1）2HDMs（型IおよびII）におけるアライメント限界を調査すること。
• 他のヒッグス状態（H, A, H±）が軽く、電弱スケールで有効場理論からデカップリングしない状況におけるアライメントの領域を調査すること。
• 現在のLHC制約のもとで、フェルミオンカップリングの変動や三重ヒッグス自己カップリングの変化を含めた、このようなアライメントシナリオのフェノメノロジカルな結果を分析すること。
• すべての非SMヒッグス状態が重い標準的デカップリング限界と比較して、アライメントなしデカップリングのフェノメノロジーを比較すること。
• アライメントなしデカップリングのシナリオのもとで、LHCラン2における追加ヒッグス状態の発見可能性を評価すること。

提案手法

• 2HDMCおよびLilithソフトウェアパッケージを用いた数値的パラメータ空間スキャンを実施し、LHC以前の制約および最新のLHCヒッグス信号強度測定値をすべて組み込んだ。
• 125 GeV状態hがSMゲージカップリングとアライメントしていることを保証するために、C_V^h > 0.99 の条件を課した。
• ユニタリティ、摂動的安定性、真空安定性といった理論的制約を適用して、パラメータ空間を制限した。
• 特に追加の共鳴状態が観測されていないことから、重いヒッグス状態のLHC探索からのフェノメノロジカル制約を含めた。
• スカラー・ポテンシャルのパラメータおよび混合角を用いた解析的式を用いて、物理的ヒッグス質量に基づく三重ヒッグスカップリングを導出した。
• カップリングの変動と発見可能性の差を直接比較することで、アライメントなしデカップリングの状態と標準的デカップリング限界を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMsにおける125 GeVヒッグス粒子が、他のヒッグス状態が重くない場合でも、SMに類似したゲージカップリング（C_V ≈ 1）を有するアライメント限界に達することができるか？
• RQ2 アライメントが実現されるが、追加ヒッグス状態が軽い状況下で、型Iおよび型IIの2HDMsにおける実現可能なパラメータ領域は何か？
• RQ3 アライメントなしデカップリング状態では、フェルミオンカップリング（C_U, C_D）および三重ヒッグス自己カップリングは、デカップリング限界と比較してどのように変化するか？
• RQ4 アライメントなしデカップリングのシナリオのもとで、LHCラン2における追加ヒッグス状態（H, A, H±）の発見可能性はどのようになるか？
• RQ5 現在のLHCの信号強度制約および重いヒッグス状態の非観測が、アライメント限界における実現可能なパラメータ空間にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 他のヒッグス状態（H, A, H±）が軽くても、C_V^h > 0.99 を達成できることから、SMに類似したゲージカップリングの実現にはデカップリングが必須でないことが示された。
• アライメントなしデカップリング状態では、C_Vが1に非常に近い状態であっても、125 GeVヒッグス粒子のフェルミオンカップリングC_UおよびC_Dが1から著しく逸脱することがある。
• 特にg_hhhおよびg_HHHのような三重ヒッグス自己カップリングは、混合角β−αおよび質量スペクトルに強く依存し、軽いヒッグス状態の状態ではSMから顕著に逸脱する。
• 125 GeV状態hが真空期待値方向とアライメントしているが、HおよびA状態が軽い状況でも、現在のLHCデータと整合する2HDMパラメータ空間の特定の領域を同定した。
• LHCラン2では、アライメントなしデカップリングのシナリオにおいて、特にH→bbおよびH→ττの崩壊モードにおいて、追加ヒッグス状態の発見可能性が顕著に高い。これは質量および混合パラメータに依存する。
• LHC探索における重いヒッグス状態の非観測からの制約は、特にHおよびAの質量が125 GeV未満の場合、実現可能なパラメータ空間を制限する上で極めて重要である。