[논문 리뷰] Higgs potential and hidden light Higgs scenario in two Higgs doublet models

S. Chang, Sin Kyu Kang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 히iggs 두중자 모델(2HDMs)에서 은폐된 가벼운 히iggs 시나리오를 조사한다. 여기서 125 GeV 히iggs 보손은 더 무거운 CP-짝성 상태 $H^0$이며, 더 가벼운 $h^0$는 아직 탐지되지 않았다. LHC 히iggs 신호 강도, 피드다운 효과 및 배제 한계를 사용하여 히iggs 포텐셜에 대한 강력한 제약 조건을 도출한다. 이에 따라 $m_{A}^{0}$ 및 $m_{H^{/pm}}$ 는 약 600 GeV 이하로 제약되며, $m_{12}^{2} < (45\,\text{GeV})^2$ 를 만족한다. 또한 타입 II, X, Y에서는 $ ilde{g}_{HHH}$ 와 같은 4차 상호작용 계수들이 크게 제약된다.

ABSTRACT

In two Higgs doublet models (2HDM), there exists an interesting possibility, the hidden light Higgs scenario, that the discovered SM-like Higgs boson is the heavier extit{CP}-even Higgs boson $H^0$ and the lighter extit{CP}-even $h^0$ has not been observed yet in any experiment. We study the current status of this scenario in Types I, II, X, and Y, through the scans of the 2HDM parameters with all relevant theoretical and experimental constraints. We employ not only the most up-to-date Higgs signal strength measurements with the feed-down effects, but also all the available LHC exclusion limits from heavy Higgs searches. Adjusting the heavier $H^0$ to the 125 GeV state while hiding the lighter $h^0$ from the LEP Higgs search prohibits the extreme decoupling limit: there exist upper bounds on the masses of the pseudoscalar $A^0$ and the charged Higgs $H^\pm$ below about 600 GeV. In addition, the $Z_2$ symmetry is shown to be a good approximate symmetry since the soft $Z_2$ symmetry breaking parameter $m_{12}^2$ should be less than about (45 GeV)$^2$. Most interestingly, a few parameters in the Higgs potential and the related Higgs triple and quartic couplings are shown to be meaningfully constrained by the current data. The double Higgs-strahlung process at an $e^+ e^-$ collider is also studied.

연구 동기 및 목표

• 은폐된 가벼운 히iggs 시나리오의 타당성을 평가한다. 이 경우 125 GeV 히iggs 보손은 더 무거운 CP-짝성 상태 $H^0$이며, 더 가벼운 $h^0$는 아직 탐지되지 않았다.
• 최신 LHC 히iggs 신호 강도 측정치를 적용하며, 피드다운 효과를 포함하고, 무거운 히iggs 탐색에서의 모든 관련 LHC 배제 한계를 통합한다.
• 이 시나리오가 유니타리성, 양자역학적 안정성, 진공 안정성과 같은 이론적 제약 조건과 일관된지 테스트한다.
• 특히 $m_{12}^2$, $\lambda_2$, 4차 상호작용 계수 등을 포함한 히iggs 포텐셜 매개변수를 타입 I, II, X, Y 2HDM 모두에서 제약한다.
• 미래의 $e^+e^-$ 충돌기에서 더블 히iggs 스트로프링을 통해 $\hat{g}_{hHH}$ 와 $\hat{g}_{HHH}$ 를 탐지할 잠재 가능성에 대해 평가한다.

제안 방법

• 이론적 및 실험적 제약 조건을 모두 포함하여 타입 I, II, X, Y 2HDM에 걸쳐 전반적인 매개변수 스캔을 수행한다.
• 최신 LHC 히iggs 신호 강도 데이터를 피드다운 효과를 포함하여 적용하고, $H^\pm$, $A^0$, $H^0$ 붕괴에 대한 LHC 배제 한계와 결합한다.
• 정렬 한계 조건과 $Z_2$ 대칭 붕괴 매개변수 $m_{12}^2$ 를 사용하여 히iggs 포텐셜의 구조를 제약한다.
• 표준모형 값에 대한 상대적 편차를 평가하기 위해 정규화된 4차 상호작용 계수 $\hat{g}_{\phi_i\phi_j\phi_k\phi_\ell}$ 를 평가한다.
• 500 GeV에서의 $e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$ 반응을 연구하여 $\hat{g}_{hHH}$ 와 $\hat{g}_{HHH}$ 를 탐지하며, $Z^0$-$H^0$-$A^0$ 정점 기여를 포함한다.
• 교차단면을 표준모형 값에 대해 정규화하고, $m_A \geq m_Z + m_H$ 일 때 $A^0$ 전이자성 다이아몬드의 극대화로 인한 증폭 현상을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 125 GeV 히iggs 보손이 더 무거운 CP-짝성 상태 $H^0$일 수 있으며, 더 가벼운 $h^0$가 LEP 및 LHC 탐색에서 아직 탐지되지 않은 경우가 가능한가?
• RQ2 은폐된 가벼운 히iggs 시나리오에서 편성자 $A^0$ 와 채워진 히iggs $H^\pm$ 의 질량 상한은 무엇인가?
• RQ3 이 시나리오에서 $Z_2$ 대칭 붕괴 매개변수 $m_{12}^2$ 는 얼마나 제약을 받는가?
• RQ4 현재 LHC 데이터에 의해 가장 강하게 제약을 받는 히iggs 4차 상호작용 계수는 무엇인가?
• RQ5 미래의 충돌기에서 $e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$ 반응이 $\hat{g}_{hHH}$ 와 $\hat{g}_{HHH}$ 의 큰 증폭을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 편성자 $A^0$ 와 채워진 히iggs $H^\pm$ 의 질량 상한은 약 600 GeV이며, 극단적인 분리 극한을 배제한다.
• 부드러운 $Z_2$ 대칭 붕괴 매개변수 $m_{12}^2$ 는 $(45\,\text{GeV})^2$ 이하로 제약되며, 이는 $Z_2$ 가 좋은 근사 대칭임을 시사한다.
• 타입 II, X, Y에서는 4차 상호작용 계수 $\hat{g}_{HHH}$ 가 크게 제약되며, 표준모형 값에 가까워진다. 반면 타입 I은 더 넓은 범위를 허용한다.
• $\hat{g}_{HHHH}$ 도 타입 II, X, Y에서 제약되며, 표준모형 값에서의 편차는 제한된다.
• $m_A \approx 300$ GeV 근처에서 $m_A \geq m_Z + m_H$ 일 때 $e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$ 의 교차단면은 최대 약 $10^4$ 배로 증폭되며, 특히 타입 I과 X에서 두드러진다.
• 히iggs 4차 상호작용 계수 $\hat{g}_{hhhh}$ 와 $\hat{g}_{AAAA}$ 는 10배 이상 증폭될 수 있으며, 이는 $e^+e^- \to Z^0 h^0 h^0 h^0$ 와 $\gamma\gamma \to A^0 A^0 A^0$ 륨을 통해 관측 가능할 수 있다.