[논문 리뷰] Fitting the Two-Higgs-Doublet model of type II

Otto Eberhardt|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 정밀 관측량, 힉스 신호 강도, 플라버 물리 제약 조건, LHC 배제 한계를 사용하여 유형 II 두 힉스 두중우 모형(2HDM-II)의 글로벌 피팅을 수행한다. 95% 신뢰수준에서 정렬 한계가 강하게 지배되며, 이는 편미분 힉스 보손 질량이 240 GeV를 초과해야 함을 의미한다. 반면 무거운 CP-짝성 힉스는 200 GeV 이하일 수 있다. $hhH$ 결합 상수는 표준모형 값의 2.5배까지 증가할 수 있으며, 만약 공진 상태 $H$ 가 존재한다면 14 TeV LHC 에너지에서 $gg \to hh$ 반응 단면적은 최대 70배까지 증폭될 수 있다.

ABSTRACT

We present the current status of the Two-Higgs-Doublet model of type II. Taking into account all available relevant information, we exclude at $95$% CL sizeable deviations of the so-called alignment limit, in which all couplings of the light CP-even Higgs boson $h$ are Standard-Model-like. While we can set a lower limit of $240$ GeV on the mass of the pseudoscalar Higgs boson at $95$% CL, the mass of the heavy CP-even Higgs boson $H$ can be even lighter than $200$ GeV. The strong constraints on the model parameters also set limits on the triple Higgs couplings: the $hhh$ coupling in the Two-Higgs-Doublet model of type II cannot be larger than in the Standard Model, while the $hhH$ coupling can maximally be $2.5$ times the size of the Standard Model $hhh$ coupling, assuming an $H$ mass below $1$ TeV. The selection of benchmark scenarios which maximize specific effects within the allowed regions for further collider studies is illustrated for the $H$ branching fraction to fermions and gauge bosons. As an example, we calculate the cross section of $gg o hh$ for four benchmark points and show that a resonant $H$ could enhance it by almost a factor of $70$ at a centre-of-mass energy of $14$ TeV.

연구 동기 및 목표

• 전체 글로벌 피팅을 통해 전자약력 정밀 관측량, 플라버 물리 제약 조건, LHC 데이터 등 현재 실험적 및 이론적 제약 조건이 2HDM-II에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 모든 관련 제약 조건 하에서 무거운 힉스 보손 $H$, $A$, $H^\pm$의 허용 가능한 매개변수 공간을 규명하기 위해.
• 표준모형 대비 삼중 힉스 결합 상수 $hhh$, $hhH$ 등이 얼마나 증폭될 수 있는지 정량화하기 위해.
• 미래의 충돌기 연구를 위한 비표준 붕괴 모드와 $gg\to hh$ 단면적을 최대화하는 벤치마크 시나리오를 식별하기 위해.
• 최근 LHC에서의 $H\to hh$ 및 $A\to hZ$ 배제 한계가 모델의 매개변수 공간에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• CKMfitter 패키지를 사용하여 전자약력 정밀 관측량, $BR(B\to X_s\gamma)$, $B_s$ 질량 차이, LHC 힉스 탐색 결과를 포함한 2HDM-II 매개변수의 글로벌 피팅을 수행하였다.
• 배제 한계인 $gg\to H\to hh$ 및 $gg\to A\to hZ$ 를 실험적 입력으로 통합하였지만, 주요 결과에는 영향을 주지 않았다.
• 이론적 제약 조건 적용: $S$-행렬 유니타리성에 의한 점성 및 246 GeV에서 스칼라 포텐셜 최소값에 의한 진공 안정성.
• 물리적 매개변수 사용: $m_h$, $m_H$, $m_A$, $m_{H^+}$, $\tan\beta$, $\beta - \alpha$, $v = 246$ GeV, 그리고 소프트 $Z_2$ 대칭 깨짐 매개변수 $m_{12}^2$.
• 2HDM-II 프레임워크 내에서 삼중 힉스 결합 상수 $g_{hhh}$, $g_{hhH}$, $g_{hHH}$, $g_{HHH}$, $g_{hAA}$, $g_{hH^+H^-}$ 계산.
• $2\sigma$ 제약 조건 하에서 결합 상수 및 $H$ 붕괴 분포에서의 이격을 최대화하기 위해 벤치마크 포인트(H-1부터 H-4까지) 정의.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자약력 정밀 관측량, 플라버 물리, LHC 데이터로부터 현재 2HDM-II 매개변수 공간에 가해지는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 $hhH$ 결합 상수가 표준모형 값보다 얼마나 초과될 수 있으며, 힉스 쌍 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 2HDM-II에서 $gg\to hh$ 단면적이 상당히 증폭될 수 있는가, 그리고 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 14 TeV LHC에서 비표준 모형 힉스 붕괴를 관측하기 위한 가장 유망한 벤치마크 시나리오는 무엇인가?
• RQ5 최근 LHC에서의 $H\to hh$ 및 $A\to hZ$ 배제 한계는 허용 가능한 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 95% 신뢰수준에서 편미분 힉스 보손 질량 $m_A$ 는 240 GeV 이상이어야 하며, 정렬 한계에서의 현저한 이격은 관측되지 않는다.
• 무거운 CP-짝성 힉스 보손 $H$ 는 200 GeV 이하일 수 있으며, 그 붕괴 $H\to AA$ 는 $2\sigma$ 수준에서 배제된다.
• 2HDM-II에서 $hhh$ 결합 상수는 표준모형 값 이상이 될 수 없으며, $2\sigma$ 수준에서 표준모형 값의 50% 이하로 감소할 수 있다.
• 표준모형의 $hhh$ 상수 대비 $hhH$ 결합 상수는 최대 2.5배까지 증가할 수 있으며, 이는 $m_H \leq 1$ TeV 라는 조건 하에 성립한다.
• 벤치마크 포인트 H-1의 경우, 공진 상태 $H$ 가 존재할 경우 14 TeV 중심질량 에너지에서 $gg\to hh$ 단면적이 거의 70배 증폭된다.
• $BR(H\to f\bar{f}, VV)$ 는 $m_H$ 에 따라 $2\sigma$ 수준에서 40% 이하로 억제될 수 있으며, $m_A$ 가 $t\bar{t}$ 임계값 이하일 경우 $BR(A\to HZ)$ 는 1% 수준으로 감소할 수 있다.