[논문 리뷰] Higgs Signals in a Type I 2HDM or with a Sister Higgs

Daniele S. M. Alves, Patrick J. Fox외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 페르미온에 대한 결합을 억제하고 γγ 채널에서의 양성자 복합 반응(VBF)을 증가시키는 페르미온이 없는 힉스 두중우를 갖는 타입 I 2HDM 또는 시스터 힉스 시나리오를 제안한다. 이는 고전적 수준에서 페르미온에 대한 결합이 억제되고, γγ 붕괴에 대해 순환 수준 기여가 있기 때문이다. 이 모형은 큰 페러미온나열 또는 전자기적 정밀도 제약 없이 증가된 VBF γγ 신호를 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

In models where an additional SU(2)-doublet that does not have couplings to fermions participates in electroweak symmetry breaking, the properties of the Higgs boson are changed. At tree level, in the neighborhood of the SM-like range of parameter space, it is natural to have the coupling to vectors, cV, approximately constant, while the coupling to fermions, cf, is suppressed. This leads to enhanced VBF signals of gamma gamma while keeping other signals of Higgses approximately constant (such as WW* and ZZ*), and suppressing higgs to tau tau. Sizable tree-level effects are often accompanied by light charged Higgs states, which lead to important constraints from b to s gamma and top to b H+, but also often to similarly sizable contributions to the inclusive h to gamma gamma signal from radiative effects. In the simplest model, this is described by a Type I 2HDM, and in supersymmetry is naturally realized with "sister Higgs" fields. In such a scenario, additional light charged states can contribute further with fewer constraints from heavy flavor decays. With supersymmetry, Grand Unification motivates the inclusion of colored partner fields. These G-quarks may provide additional evidence for such a model.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 관측된 힉스 γγ 신호의 증가를 설명하기 위해, 특히 벡터 보손 복합 반응(VBF) 채널에서 WW*/ZZ* 신호 강도에 큰 변화 없이 설명한다.
• 두 번째 힉스 두중우가 페르미온이 아닌 게이지 보손에만 결합하는 모형을 조사하여, 페어링 변화 및 전자기적 정밀도 제약을 최소화한다.
• 형광 힉스 및 색깔 있는 G-쿼크의 순환 수준 기여가 γγ 붕괴 진폭을 증가시키는 역할를 평가하며, 기존 실험 제약과 일치하는지 확인한다.
• 이러한 시나리오—즉, 페르미온 결합이 억제되고 VBF γγ가 증가된 상태—가 초대칭 이론에서 '시스터 힉스' 필드와 GUT 파트너를 통해 실현 가능한지 탐색한다.
• 생산 모드 전반에서 힉스 신호를 제약하는 데 사용할 수 있는 세 개의 매개변수 피팅(cV, cf, δcγγ)을 제안하여 향후 데이터에 대한 검증 가능한 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 페르미온에 대한 결합이 억제되고, 게이지 보손에만 결합하는 두 번째 힉스 두중우를 갖는 타입 I 2HDM 프레임워크를 사용하여, 페르미온 결합이 억제된 상태(cf < 1)이고, 약간의 SM 유사 벡터 보손 결합(cV ≈ 1)을 갖는다.
• 생산 횡단단면과 붕괴 브라운키를 σ × BR 방식으로 매개변수화하며, 글루온 융합의 경우 (ct + δcgg)²으로 스케일링하고, VBF/Vh의 경우 cV²으로 스케일링하며, γγ 및 VV 모드의 붕괴 너비는 각각 cV, ct, δcγγ로 스케일링한다.
• 순환 보정을 통해 γγ 진폭에 δcγγ를 포함시키며, 이는 형광 힉스 및 G-쿼크 기여에서 기인한다. 후자는 GUT 동기를 가진 SU(3) 색깔 파art너에서 기인한다.
• b → sγ 및 t → bH⁺ 붕괴에 의해 제약을 가한다. 이는 h–H 혼합 및 형광 힉스 질량에 민감하며, 맛 물리학 제약 하에서의 타당성을 확보하기 위해 필요하다.
• 초대칭 이론에서 '시스터 힉스' 필드의 역할을 고려하며, 추가적인 스칼라 및 페르미온 성분(G-쿼크 등)이 물리적 힉스와의 약한 혼합으로 인해 맛 위반이 감소한 상태에서 δcγγ에 기여할 수 있다.
• 세 가지 효과적 매개변수 cV, cf, δcγγ를 사용하여 Higgs 신호 강도의 글로벌 피팅을 수행하여 LHC 데이터와의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입 I 2HDM 또는 시스터 힉스 모형이 WW*/ZZ* 신호 강도에 크게 영향을 주지 않으면서도, 관측된 힉스 γγ 신호의 증가, 특히 VBF 채널에서 설명할 수 있는가?
• RQ2 페르미온에 대한 고전적 결합과 벡터 보손에 대한 결합이, 페르미온이 없는 힉스 두중우를 갖는 모형에서 다양한 힉스 생성 및 붕괴 채널의 상대적 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 형광 힉스 및 색깔 있는 G-쿼크의 순환 기여가 γγ 붕괴 진폭을 얼마나 증가시킬 수 있으며, b → sγ 및 t → bH⁺ 제약과 일치하는가?
• RQ4 초대칭 모형에 '시스터 힉스' 필드를 포함시키면, 맛 위반 제약이 감소된 상태에서 증가된 VBF γγ 신호를 자연스럽게 실현할 수 있는가?
• RQ5 세 매개변수 피팅(cV, cf, δcγγ)이 현재 LHC 힉스 신호 데이터를 기술하는 데 충분한가? 만약 이러한 피팅이 실현된다면 어떤 의미가 있는가?

주요 결과

• 타입 I 2HDM 또는 시스터 힉스 시나리오에서, 고전적 수준에서 페르미온 결합이 억제됨(cf < 1)하면서도 cV ≈ 1을 유지하면 VBF γγ 신호가 증가하고, ττ 붕괴는 억제된다.
• γγ 신호 강도는 고전적 수준에서(δcγγ를 통해) 및 형광 힉스와 G-쿼크의 순환 기여를 통해 증가하며, 특히 tanβ ≈ 1이고 G-쿼크가 가벼울 경우(약 150 GeV) 기여가 크게 증가한다.
• 글루온 융합 생성(gg → h → γγ)은 δcgg 보정으로 인해 증가하지만, VBF 및 관련 생성(Vh, tth)은 현재 데이터와 일치하는 바와 같이 SM 수준에 가까이 유지된다.
• WW*/ZZ* 붕괴는 약간의 억제 또는 SM 수준에 가까운 상태로 유지되며, 이는 b̄b 억제가 γγ 증가를 이끄는 다른 모형과는 대조된다. 이러한 모형은 WW*/ZZ*도 함께 증가시킬 것이다.
• 형광 힉스 상태가 표준 모형 유사 힉스와 크게 혼합되지 않는 한, b → sγ 및 t → bH⁺에서 강한 제약을 피할 수 있으며, 특히 약한 혼합이 일어나는 시스터 힉스 시나리오에서 그러하다.
• G-쿼크 및 G-스쿠아크는 대규모 통합 이론에서 유도된 것으로, 효과적 결합 ~gs²/4cos²(β−δ)를 통해 δcγγ에 추가 기여를 할 수 있으며, 이는 SUSY 탐색 및 모형 확인을 위한 새로운 서명을 제공한다.