[논문 리뷰] Lepton-specific inert two-Higgs-doublet model confronted with the new results for muon and electron g-2 anomalies and multi-lepton searches at the LHC

Xiao-Fang Han, Tianjun Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 렙톤 특이적 비활성 이중 힉스 두중체 모형을 제안하며, 가벼운 CP-짝성 힉스 보손(5–35 GeV)이 렙톤 특이적 요카다 상호작용을 통해 동시에 뮤온과 전자 $g-2$ 이상 현상들을 설명한다. $\mu$와 $e/\tau$에 대해 반대 부호로 조정된 요카다 상호작용 상수 $\kappa_\mu$, $\kappa_e$, $\kappa_\tau$를 통해, 이 모형은 $g-2$ 이상 현상과 $\tau$ 붕괴에서의 렙톤 유니버설리티를 동시에 만족시키며, $m_h < 35$ GeV 영역에서 LHC의 다중 렙톤 탐색 제약 조건을 충족하는 것으로 입증된다.

ABSTRACT

Combining the multi-lepton searches at the LHC, we study the possibilities of accommodating the new data of muon and electron $g-2$ anomalies in the lepton-specific inert two-Higgs-doublet model. We take the heavy CP-even Higgs as the 125 GeV Higgs, and find the muon and electron $g-2$ anomalies can be explained simultaneously in the region of 5 GeV $&lt; m_h&lt;60$ GeV, 200 GeV $

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서의 뮤온과 전자 $g-2$ 이상 현상이 반대 부호로 나타나는 것을 동시에 설명하기 위해.
• 125 GeV 표준모형 유사 힉스보다 가벼운 가벼운 CP-짝성 힉스 $h$를 가진 렙톤 특이적 비활성 이중 힉스 두중체 모형을 탐색하기 위해.
• 특히 $h$ 질량이 35 GeV 이하일 경우, 엄격한 LHC 다중 렙톤 탐색 제약 조건을 충족하는지 평가하기 위해.
• 표준모형보다 더 나은 $\tau$ 붕괴에서의 렙톤 유니버설리티 피팅을 위해 $Z_2$-파괴 요카다 상호작용을 도입하기 위해.

제안 방법

• 모형은 표준모형에 비활성 힉스 두중체를 추가하며, $Z_2$ 대칭 아래에서 오직 표준모형 유사 힉스 $H$만 진공 기대값을 갖는다.
• 비활성 힉스 두중체와 렙톤 간의 요카다 상호작용을 도입하며, $\kappa_\mu$, $\kappa_e$, $\kappa_\tau$를 반대 부호로 조정하여 $g-2$ 이상 현상을 설명한다.
• 이론적 제약 조건으로는 $\tau$ 붕괴 유니버설리티의 고차원 기여, $Z$ 보손 붕괴, $\chi^2_{\tau}$를 통한 $\tau$ 붕괴 데이터 피팅이 포함된다.
• 모수 공간인 $m_h$, $m_A$, $m_{H^\pm}$ 및 요카다 상호작용 상수에 대한 수치적 스캔을 수행하며, $g-2$ 이상 현상, $\chi^2_{\tau}$, LHC 다중 렙톤 탐색 제약 조건을 통합한다.
• A와 $H^\pm$의 생성 및 붕괴 확률를 계산하며, 낮은 $m_h$ 영역에서는 주로 $A/H^\pm \to hZ/W^\pm$ 붕괴 모드가 지배적이다.
• LHC 95% 신뢰수준의 다중 렙톤 최종 상태에 대한 배제 한계와 비교하여 모형을 시험하며, 특히 $h$가 쌍방향 $\tau$ 쌍으로 붕괴할 경우에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프톤 특이적 비활성 2HDM에서 $4.2\sigma$ 뮤온 $g-2$ 이상 현상과 $2.4\sigma$ 전자 $g-2$ 이상 현상을 반대 부호의 편차로 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 35 GeV 이하의 가벼운 CP-짝성 힉스 $h$는 LHC 다중 렙톤 탐색 제약 조건 하에서 모형의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 모형은 표준모형보다 $\tau$ 붕괴에서의 렙톤 유니버설리티 피팅을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 모든 실험적 제약 조건을 만족시키는 데 필요한 요카다 상호작용 상수 $\kappa_\mu$, $\kappa_e$, $\kappa_\tau$의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ5 왜 $m_h < 35$ GeV 영역이 빛나는 $h$ 보손이 있음에도 불구하고 LHC 다중 렙톤 탐색을 피할 수 있는가?

주요 결과

• 뮤온과 전자 $g-2$ 이상 현상은 $5~{\rm GeV} < m_h < 35~{\rm GeV}$, $200~{\rm GeV} < m_A < 620~{\rm GeV}$, $190~{\rm GeV} < m_{H^\pm} < 620~{\rm GeV}$ 영역에서 동시에 설명 가능하다.
• 이 모형은 표준모형보다 $\tau$ 붕괴에서의 렙톤 유니버설리티 피팅을 더 잘 만족시키며, $\chi^2_{\tau}$는 최소 7.4로 표준모형의 12.3보다 현저히 낮다.
• LHC 다중 렙톤 탐색은 $m_h < 35~{\rm GeV}$에 엄격한 상한선을 제시하며, 특히 $h$ 붕괴가 연속적이고 부드럽고, $m_h < 20~{\rm GeV}$ 영역에서 가장 유망하다.
• 모든 제약 조건을 만족시키기 위해 요카다 상호작용 상수는 $15 < -\kappa_\mu < 90$, $5 < \kappa_\tau < 50$, $160 < \kappa_e < 500$ 범위로 제약된다.
• $m_h < 20~{\rm GeV}$ 영역에서는 $A/H^\pm \to hZ/W^\pm$ 붕괴 모드가 지배적이며, $h$ 매개 $\tau$ 쌍은 연속적이고 감지하기 어려워져 LHC 감도가 감소한다.
• $m_{H^\pm} \sim 200~{\rm GeV}$일 때 $\chi^2_{\tau}$는 최소 11.5로 떨어지며, 표준모형의 12.3보다 뚜렷한 향상이 나타난다.