[論文レビュー] Two-Higgs-Doublet Models with CP violation

I. F. Ginzburg, Maria Krawczyk+1 more|ArXiv.org|Nov 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 32

ひとこと要約

この論文は、$Z_2$対称性のソフトな破れを伴う、明示的なCP対称性の破れを示す二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDM）を調査しており、CP対称性の破れとフレーバー変換を伴うニュートラル現在が、依然として小さい状況に注目している。$m_{12}^2$の小さな値、特に$\mu^2$が小さい場合、標準模型（SM）に類似したヒッグス粒子が、標準模型の結合定数を有することが可能であり、1 TeVまでの重いヒッグス状態も、デカップリングがなくても実験的制約と整合的であることが示されている。

ABSTRACT

We consider the Two-Higgs-Doublet Model and determine the range of parameters for which CP violation and Flavor Changing Neutral Current effects are naturally small. It corresponds to small values of the mass parameter m_{12}^2, describing soft (ϕ_1,ϕ_2) mixing in the potential. We discuss how, in this approach, some Higgs bosons can be heavy, with mass of the order of 1 TeV. The possibility that at the Tevatron, LHC and an e^+e^- Linear Collider, only one Higgs boson will be found, with properties indistinguishable from those in the Standard Model (SM), we define as the SM-like scenario. While this scenario can be obtained with large μ^2 \sim \Re m_{12}^2 parameter, in which case there is decoupling, we here discuss the opposite case of small μ^2, without decoupling.

研究の動機と目的

• 二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDM）において、CP対称性の破れとフレーバー変換を伴うニュートラル現在が自然に小さいパrameter領域を同定すること。
• Tevatron、LHC、および$e^+e^-$線形衝突機において、デカップリング限界がなくても、SMに類似したヒッグス粒子が存在しうることを調査すること。
• ヒッグス系におけるCP対称性の破れを生成する役割を果たす$\mu^2 = \mathrm{Re}(m_{12}^2 e^{i\xi}) v^2 / (v_1 v_2)$および$\mathrm{Im}(\lambda_5)$の分析。
• $\mu^2$が小さく、$|\mathrm{Re}(\lambda_5)|$が大きな非デカップリング状況下でも、軽いヒッグス粒子が標準模型に類似した結合定数を有することの可能性を解明すること。
• このようなモデルのコライダーにおける物性的特徴、特に$h \to \gamma\gamma$および$h \to gg$の崩壊断面積における特徴を評価すること。

提案手法

• $\lambda_6 = \lambda_7 = 0$ だが $m_{12}^2 \neq 0$ を許容する二重ヒッグス・ダブルレット模型のポテンシャルを使用し、$Z_2$対称性のソフトな破れを可能にする。
• 再位相不変性を適用して真空位相$\xi = 0$を設定し、CP対称性の破れの分析を単純化する。これにより、$\mathrm{Im}(\lambda_5)$と$\mathrm{Im}(m_{12}^2)$によるCP対称性の破れが明確に扱える。
• 非対角項が$\mathrm{Im}(\lambda_5)$に比例する中性ヒッグス質量行列（式5）を導出。$\mathrm{Im}(\lambda_5) \neq 0$ のとき、$h$、$H$、$A$状態が混合する。
• 回転行列$R$（式6）による質量行列の対角化を行い、CP対称性の破れが存在する状況下で物理的状態$h_1, h_2, h_3$を定義する。
• 回転行列要素と$\beta$（式9）を用いてフェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグス結合を分析し、$\chi_u^{h_i}$、$\chi_d^{h_i}$、$\chi_V^{h_i}$を$R_{ij}$と$\beta$で表現する。
• ループ誘導崩壊断面積$\Gamma(h \to \gamma\gamma)$および$\Gamma(h \to gg)$を、$g_{hH^+H^-}$三重結合定数を用いて評価。この三重結合定数は$\mu^2$と$M_{H^\pm}^2$（式11）でパラメータ化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフト$Z_2$対称性の破れを伴う二重ヒッグス・ダブルレット模型において、CP対称性の破れとフレーバー変換を伴うニュートラル現在が、どのような条件下で小さく保たれるか。
• RQ2 $\mu^2$が小さい場合、デカップリング限界がなくても、標準模型に類似したヒッグス粒子が、標準模型の結合定数を有して出現しうるか。
• RQ3 非デカップリング状況下で、ループ誘導崩壊断面積$\Gamma(h \to \gamma\gamma)$および$\Gamma(h \to gg)$が標準模型からどの程度ずれるか。
• RQ4 $\mathrm{Im}(\lambda_5)$はヒッグス系におけるCP対称性の破れ効果を生成する役割を果たすが、再位相不変性によってどのように制約されるか。
• RQ5 $\gamma\gamma$衝突機において、$h \to \gamma\gamma$の偏差を観測することで、2HDMポテンシャルの形（$\mu^2$が大きいか小さいか）を区別できるか。

主な発見

• $m_{12}^2$ の小さな値、特に$\mu^2$が小さい場合、$W$、$Z$、トップ、ボトムクォークへの結合定数が標準模型とほぼ同一のSMに類似したヒッグス粒子が実現可能であり、デカップリングがなくても成立する。
• $\mu^2$ が小さいが $|\mathrm{Re}(\lambda_5)|$ が大きい場合、パリティースカラー$A$およびチャージドヒッグス$H^\pm$は重く（最大1 TeV）、実験的制約と整合的である。
• $\mu^2$ が小さい非デカップリング状況下で、$h \to \gamma\gamma$の崩壊幅は、$\mu^2/M_{H^\pm}^2$ の比に応じて数パーセントのずれを示す可能性があり、図1（左パネル）に示されている。
• ソリューションB（上クォークまたは下クォークへの結合定数が逆符号）の場合、$h \to gg$の崩壊幅も標準模型からずれる。図1（右パネル）に示されているように、$\mu^2 < M_{H^\pm}^2$ のとき特に顕著な効果が観察される。
• $h \to \gamma\gamma$および$h \to gg$の断面積を支配する三重結合定数$g_{hH^+H^-}$は$\mu^2$と$M_{H^\pm}^2$に依存し、$\mu^2 \sim M_{H^\pm}^2$ のとき、$\Gamma_{\gamma\gamma}$における標準模型からのずれを抑制するように調整可能である。
• CP対称性の破れ状況下でも、式10の関係式$(\chi_u^{h_i} + \chi_d^{h_i}) \chi_V^{h_i} = 1 + \chi_u^{h_i} \chi_d^{h_i}$が成り立ち、コライダーでのヒッグス結合定数に対する検証可能な制約を提供する。