[논문 리뷰] Higgs Boson Contributions to the Electron Electric Dipole Moment

Daniel Egaña-Ugrinovic, Scott Thomas|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 50인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 무거운 힉스 보존의 분리한계 근처에서 양 힉스 듀블릿 모델(2HDM)에서 전자의 전기 dipole moment(eEDM)에 대한 힉스 보존의 기여를 효과적인 장 이론(EFT) 접근법을 사용하여 계산한다. 이는 글라쇼-바이너그 조건을 만족하는 2HDM에서 수행되며, 주로 표준모형(SM) 입자들만을 포함하는 두 번째 순서의 바르-즈 다이어그램에서 발생하는 최고차 기여를 보여준다. ACME II 실험 결과로부터 힉스 보존이 페르미온과의 결합에서 T-반사 위반 위상에 대한 제약 조건이 1,000분의 1 수준으로 도출된다.

ABSTRACT

The contributions of a second Higgs doublet to the electron electric dipole moment near the heavy Higgs decoupling limit are determined within an effective field theory framework. In models that satisfy the Glashow-Weinberg condition, the leading contributions in this limit at effective dimension six are shown to come from two-loop Barr-Zee diagrams that include the Standard Model-like Higgs boson. Additional diagrams that include heavy Higgs bosons are sub-leading and contribute only at effective dimension eight near the decoupling limit. This simplification implies that to leading order in this limit, contributions of a second Higgs doublet to the electron electric dipole moment can be couched entirely in terms of the ratio of Higgs doublet expectation values and a single universal phase appearing in the effective couplings of the Standard Model-like Higgs boson to fermions, without direct reference to the heavy Higgs boson masses or couplings. The recent bound from the ACME II experiment constrains the phases of the couplings of the Standard Model-like Higgs boson to up-type quarks and leptons at the part per mil level in Type I and IV two Higgs doublet models. In Type II and III models these phases are constrained at the two parts per mil or better level except in a tiny sliver of parameter space with nearly equal Higgs doublet expectation values where destructive interference among contributing diagrams happens to occur. In a more general phenomenological parameterization with individual effective phases in the couplings of the Standard Model-like Higgs boson to third generation fermions and the electron, the top quark and electron coupling phases are constrained at the part per mil level except in tiny slivers of parameter space, while the bottom quark and tau-lepton coupling phases are constrained only at the thirty percent level.

연구 동기 및 목표

• 무거운 힉스 분리한계에서 두 번째 힉스 듀블릿이 전자의 전기 dipole moment(eEDM)에 기여하는 주요 기여를 결정하기 위해.
• 오직 표준모형(SM) 게이지 보손, 제3세대 페르미온, 그리고 SM 유사 힉스 보존을 포함하는 주요 두 번째 순서의 바르-즈 다이어그램을 식별하기 위해.
• 무거운 힉스 보존 기여가 하위 기여이며, 효과적인 차수 8에서만 나타남을 보여주기 위해.
• ACME II eEDM 실험 결과를 활용하여 힉스 보존이 페르미온과의 결합에서 위상에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.
• 다양한 T-반사 위반 양자수 결합이 존재하는 다중 위상 시나리오에서 간섭 효과가 eEDM 제약 조건의 민감도에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 무거운 힉스 상태를 분리한계에서 통합하는 효과적인 장 이론(EFT) 프레임워크를 사용한다.
• 무거운 힉스 질량의 역수의 거듭제곱에 따라 정렬된 효과적인 연산자 곱 전개(OPE)를 수행하며, 기여를 효과적인 차수별로 정리한다.
• 표준모형 게이지 보손과 제3세대 페르미온을 포함하는 두 번째 순서 바르-즈 다이어그램에서 발생하는 최고차 기여(효과적인 차수 6)를 식별한다.
• 효과적인 차수 6에서 유일한 관련 매개변수로 힉스 진공 기대값의 비율 tanβ와 SM 유사 힉스 결합의 유일한 공통 위상으로 간주한다.
• ACME II 실험 결과인 |de| < 1.1×10⁻²⁹ e·cm을 적용하여 효과적인 요카다 상수 수정자에 대한 허수부를 제약한다.
• 수치적 등고선도를 사용하여 다중 T-반사 위반 요카다 결합 간의 간섭 효과를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 힉스 분리한계에서 두 번째 힉스 듀블릿이 전자의 전기 dipole moment(eEDM)에 기여하는 주요 두 번째 순서 기여는 무엇인가?
• RQ2 무거운 힉스 보존 기여가 분리한계에서 표준모형(SM) 입자 기여와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ3 ACME II eEDM 실험으로부터 상형 힉스 보존이 상형 쿼크와 렙톤과의 결합에서 T-반사 위반 위상에 대해 어떤 제약 조건을 받는가?
• RQ4 다양한 T-반사 위반 요카다 결합 간의 간섭이 eEDM 제약 조건의 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 eEDM는 어느 정도까지 SM 유사 힉스 결합에서 tanβ와 유일한 공통 위상만으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 효과적인 차수 6에서, eEDM의 주요 기여는 오직 표준모형(SM) 게이지 보손, 제3세대 페르미온, 그리고 SM 유사 힉스 보존만을 포함하는 두 번째 순서 바르-즈 다이어그램에서 기인한다.
• 무거운 힉스 보존을 포함하는 다이어그램의 기여는 하위 기여이며, 분리한계 근처에서는 효과적인 차수 8에서만 나타난다.
• 최고차 기여에서 eEDM는 무거운 힉스 질량과 결합 상수에 독립적으로 tanβ와 SM 유사 힉스 보존이 페르미온과의 결합에서의 유일한 공통 위상에만 의존한다.
• ACME II 제약 조건은 타입 I 및 IV 2HDM에서 상형 쿼크와 렙톤의 요카다 결합 수정자의 허수부를 1,000분의 1 수준으로 제약한다.
• 타입 II 및 III 모델에서는 제약 조건이 2,000분의 1 수준 또는 그 이하이지만, 거의 동일한 tanβ 값이 존재하는 좁은 영역에서는 간섭으로 인해 민감도가 감소한다.
• 일반적인 매개변수화에서 토프와 전자의 결합 위상은 1,000분의 1 수준으로 제약되며, 바텀과 타우의 위상은 간섭이 발생하는 작은 영역 외에는 30% 수준 이하로만 제약된다.