[논문 리뷰] Constraining parameter space in type-II two-Higgs doublet model in light of a 126 GeV Higgs boson

Hyunsoo Cheon, Sin Kyu Kang|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 126 GeV 힉스 보손 신호를 바탕으로 유형-II 이중 힉스 듀블릿 모델(2HDM)의 매개변수 공간을 제약한다. 절단 스케일까지 진공 안정성, 점성, 단위성 조건을 적용하고, LEP 및 B-물리 제약을 통합함으로써 힉스 보손 질량과 혼합 각도에 대한 타당한 영역을 규명한다. 그 결과, ATLAS에서 관측된 증가된 이광자 붕괴 비율을 수용할 수 있는 것은 오직 더 가벼운 힉스(h)뿐이며, 더 무거운 힉스(H)는 이를 수용할 수 없다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We explore the implications of a 126 GeV Higgs boson indicated by the recent LHC results for two-Higgs doublet model (2HDM). Identifying the 126 GeV Higgs boson as either the lighter or heavier of CP even neutral Higgs bosons in 2HDM, we examine how the masses of Higgs fields and mixing parameters can be constrained by the theoretical conditions and experimental constraints. The theoretical conditions taken into account are the vacuum stability, perturbativity and unitarity required to be satisfied up to a cut-off scale. We also show how bounds on the masses of Higgs bosons and mixing parameters depend on the cut-off scale. In addition, we investigate whether the allowed regions of parameter space can accommodate particularly the enhanced di-photon signals, ZZ* and WW* decay modes of the Higgs boson, and examine the prediction of the signal strength of Zγ decay mode for the allowed regions of the parameter space.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 관측된 126 GeV 힉스 보손이 유형-II 이중 힉스 듀블릿 모델(2HDM)에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 절단 스케일까지의 이론적 조건(진공 안정성, 점성, 단위성)을 적용하여 힉스 보손 질량과 혼합 매개변수를 제약하기 위해.
• LEP 및 B-물리 제약(예: $b \to s\gamma$)이 허용 가능한 매개변수 공간을 얼마나 더 제한하는지 평가하기 위해.
• LHC 데이터에서 관측된 증가된 이광자, $ZZ^*$, $WW^*$ 신호 강도가 허용 가능한 영역 내에서 수용 가능한지 평가하기 위해.
• 허용 가능한 매개변수 공간 내에서 $Z\gamma$ 붕괴 모드의 신호 강도를 예측하기 위해.

제안 방법

• 연구는 소프트하게 깨진 $Z_2$ 대칭을 가진 2HDM의 국소 스칼라 포텐셜을 사용하고, CP 대칭을 유지하기 위해 실수 매개변수를 가정한다.
• 질량 행렬 형식을 사용하여 물리적 힉스 질량을 유도하며, CP-짝성 상태에 대해 $M_h \leq M_H$이고, CP-홀드 및 전하를 가진 힉스에 대해 각각 $M_A$, $M_{H^\pm}$로 표현한다.
• 이론적 제약 조건—진공 안정성, 점성, 단위성—은 절단 스케일 $\Lambda$까지 적용되며, 이는 허용 가능한 결합 및 질량 범위에 영향을 준다.
• LEP 및 B-물리 제약(예: $b \to s\gamma$)이 매개변수 공간을 추가로 제한하기 위해 통합된다.
• 이광자, $ZZ^*$, $WW^*$, $Z\gamma$ 붕괴의 신호 강도를 혼합 각도 $\alpha$ 및 $\tan\beta$를 사용하여 계산하고 LHC 데이터와 비교한다.
• 분석은 두 경우에 대해 허용 가능한 매개변수 영역을 비교한다: 126 GeV 힉스가 더 가벼운 힉스($h$)인지, 더 무거운 힉스($H$)인지.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 관측된 126 GeV 힉스 보손이 유형-II 2HDM에서 더 가벼운 CP-짝성 힉스 또는 더 무거운 CP-짝성 힉스로 일관되게 식별될 수 있는가?
• RQ2 절단 스케일까지의 진공 안정성, 점성, 단위성 조건이 2HDM에서 힉스 질량과 혼합 매개변수를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 LEP 및 B-물리 제약이 2HDM의 허용 가능한 매개변수 공간을 얼마나 더 제한하는가?
• RQ4 관측된 증가된 이광자 및 $VV^*$ 신호 강도가 허용 가능한 매개변수 영역 내에서 설명될 수 있는가?
• RQ5 허용 가능한 2HDM 매개변수 공간 영역에서 $Z\gamma$ 붕괴 모드의 예측된 신호 강도는 무엇인가?

주요 결과

• 유형-II 2HDM에서 허용 가능한 매개변수 공간은 절단 스케일 $\Lambda$에 크게 의존하며, $\Lambda$가 낮을수록 더 강한 제약를 받는다.
• 126 GeV 힉스가 더 무거운 CP-짝성 힉스($H$)로 식별될 경우, 허용 가능한 매개변수 공간은 ATLAS에서 관측한 증가된 이광자 신호와 불일치한다.
• 126 GeV 힉스가 더 가벼운 CP-짝성 힉스($h$)일 경우, $\Lambda = 1$에서 $100$ TeV까지의 범위에서 CMS 및 ATLAS의 이광자, $ZZ^*$, $WW^*$ 붕괴의 신호 강도를 모두 수용할 수 있는 넓은 허용 가능한 매개변수 공간이 존재한다.
• $Z\gamma$ 붕괴의 신호 강도는 허용 가능한 영역에서 표준모형 예측과 일치하며, 명백한 증가 또는 감소가 없다.
• 유형-I 2HDM에서는 더 가벼운 힉스($h$)도 신호 강도를 수용할 수 있지만, 다른 양자수 상호작용 구조로 인해 이광자 강도 증가 가능성은 유형-II보다 낮다.
• 분석 결과, 특히 $\Lambda$가 작을 경우 $\tan\beta$와 $\alpha$는 이론적 및 실험적 조건에 의해 강하게 제약받는다.