[논문 리뷰] CP-violation and its implications in a complex singlet extension of 2HDM

Jayita Lahiri, Gudrid Moortgat-Pick|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 23.

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한 줄 요약

본 논문은 Yukawa alignment를 갖는 일반 2HDM의 complex singlet 확장에서의 CP-violation을 분석하고, 다크 매터와 EDM 제약을 포함하며, CP-violating 효과의 collider 탐지를 탐구한다.

ABSTRACT

We investigate CP-violation in the complex singlet extension of the general Two Higgs Doublet Model (2HDM) with Yukawa alignment condition. We first explore the possibility of explicit CP-violation in the extended scalar sector while the 125 GeV Higgs remains exactly Standard Model (SM)-like. We identify an additional source of CP violation in the complex singlet extension compared to the 2HDM, which allows this model a substantially greater freedom in satisfying the stringent EDM constraints. We also incorporate dark matter in this model and investigate the impacts of constraints from the dark sector on the model parameter space and its interplay with CP-violation phases. We further explore the possibility of detecting such a scenario at future collider experiments via CP-violating trilinear couplings among the non-standard scalars. Finally, we also deviate from the exact alignment limit and investigate the CP-properties of the observed Higgs boson in the context of our model. We demonstrate the strong model-dependent nature of the detection prospects of the CP-phase of the Higgs boson at future experiments, exploring both fermion couplings as well as the trilinear self-coupling of the Higgs boson.

연구 동기 및 목표

• SM을 넘어선 CP-violation을 통해 바리아제네시스와 DM를 확장된 스칼라 부문에서 다루는 동기를 제시한다.
• exact alignment 아래에서 Yukawa alignment를 가진 2HDM의 complex singlet 확장을 도입하고 분석한다.
• 스칼라 포텐셜과 Yukawa 부문에서의 CP-violating 소스와 그 물리적 효과를 식별한다.
• 모델 매개변수 공간에 대한 EDM, 다크 매트러, 그리고 collider 제약을 평가한다.
• 정합성에서 벗어난 비표준 스칼라 및 125 GeV Higg​​s에서의 CP-위반 시그니처를 탐구한다.

제안 방법

• 두 개의 Higg스 이중성 및 복소 단일체를 포함하는 가장 일반적인 포텐셜을 구성하고 가능한 복소 매개변수를 다룬다.
• Higgs 기준에서 스칼라 질량 행렬을 도출하고 CP-위반 위상을 식별한다.
• exact alignment를 적용하여 125 GeV Higg​​s를 SM과 유사하게 유지하되 스칼라 부문에서 CP-violation을 허용한다.
• FCNC를 피하면서 Yukawa 결합으로부터의 CP-violating 위상을 허용하기 위해 Yukawa alignment를 구현한다.
• 복소 singlet에서 다크 매터 후보를 도입하고 안정성 조건 및 질량 관계를 도출한다.
• 막대-제 2 루프 Bar-Zee 도식(fermion, scalar, gauge-boson 루프 포함)을 통해 EDM 기여를 계산하고 실험적 한계와 비교한다.

Figure 1 : The two-loop Bar-Zee diagrams with fermion (left), scalar (middle) and gauge-boson (right) loop contributions. The solid lines with pointing arrows denote fermion lines (quarks and leptons), the dashed lines denote scalars ( $H_{1..4}$ and $H^{\pm}$ ), and the wavy lines represent gauge b

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Yukawa alignment를 가진 complex singlet 확장의 2HDM에서 어떤 CP-violation 소스가 나타나는가?
• RQ2 이 모델에서 EDM 데이터가 CP-위반 위상과 스칼라 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 정합성을 해치지 않고 큰 EDM을 유도하지 않으면서 다크 매터 후보를 수용할 수 있는가?
• RQ4 향후 collider에서 삼중항 결합 및 힉스 결합을 통해 CP-위반 효과를 탐지할 전망은 어떠한가?
• RQ5 정합성의 정확한 위치를 벗어날 때 이 프레임워크에서 125 GeV Higg​​s의 CP-위상은 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 모델은 CP-violating 위상 theta_CP를 스칼라 질량 행렬에 추가로 도입하여, 일반적인 2HDM 확장보다 EDM 제약을 충족할 수 있는 더 큰 자유도를 제공한다.
• 전자 EDM 제약은 페르미온과 스칼라 루프 기여 간의 상쇄를 통해 충족될 수 있으며, 허용 영역은 non-standard scalar 질량 및 lambda_5′, lambda_2′와 같은 결합에 의존한다.
• 추가적인 CP-violating 소스 theta_CP를 도입함으로써 EDM 제약은 CP-violating 2HDMs에 비해 크게 완화되어 유효 매개변수 공간이 확장된다.
• lambda′ 항들 간의 특정 실수/허수 관계를 포함하는 조건 아래에서 안정적인 다크 매터 후보를 허용하는 복소 singlet 확장은 정합성을 유지한다 (특히 lambda_6′, lambda_7′, lambda_8′).
• CP-위반 삼중항 및 사중항 스칼라 결합에서 CP-violating 시그니처가 나타날 수 있으며(예: theta_7 관련), 125 GeV Higg​​s가 SM과 유사한 경우에도 향후 collider에서의 탐지 전망은 모델 의존적이다.

Figure 2 : Constraints on $\theta_{CP}$ from the most recent electron EDM bound with $\theta_{7}=0,\theta_{f}=0$ , $|\lambda_{7}|=0.3,\lambda_{2}^{\prime}=0$ .