[논문 리뷰] Lepton-Specific Two Higgs Doublet Model as a Solution of Muon $g-2$ Anomaly

Tomohiro Abe, Ryosuke Sato외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 렙톤 특이적(타입-X) 이중 힉스 도우블렛 모형(2HDM)을 표준모형을 초월한 뮤온 $g-2$ 이질현상의 해법으로 제안하며, 추가 힉스 보손의 루프 기여로 실험과 표준모형 간의 격차를 2$σ$ 수준으로 줄일 수 있음을 보여준다. 이 모형은 $τ$ 렙톤 붕괴, 플레버 물리학, 그리고 규범화군 진화를 고려하여 현재의 데이터와 향후 LHC 탐색과도 호환되는 타당한 매개변수 영역을 찾는다.

ABSTRACT

We discuss the Type-X (lepton-specific) two Higgs doublet model as a solution of the anomaly of the muon $g-2$. We consider various experimental constraints on the parameter space such as direct searches for extra Higgs bosons at the LEP II and the LHC Run-I, electroweak precision observables, the decay of $B_s o μ^+μ^-$, and the leptonic decay of the tau lepton. We find that the measurement of the tau decay provides the most important constraint, which excludes the parameter region that can explain the muon $g-2$ anomaly at the 1$σ$ level. We then discuss the phenomenology of extra Higgs bosons and the standard model-like Higgs boson ($h$) to probe the scenario favored by the $g-2$ data at the collider experiments. We find that the $4τ$, $3τ$ and $4τ+ W/Z$ signatures are expected as the main signal of the extra Higgs bosons at the LHC. In addition, we clarify that the value of the $hττ$ coupling is predicted to be the standard model value times about $-1.6$ to $-1.0$, and the branching fraction of the $h o γγ$ mode deviates from the standard model prediction by $-30\%$ to $-15\%$. Furthermore, we find that the exotic decay mode, $h$ decaying into the $Z$ boson and a light CP-odd scalar boson, is allowed, and its branching fraction can be a few percent. These deviations in the property of $h$ will be tested by the precision measurements at future collider experiments.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 뮤온 $g-2$ 이질현상의 장기적인 문제를 렙톤 특이적(타입-X) 2HDM이 해결할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이전 분석에서 간과되었던 렙톤 $\tau$ 붕괴로부터의 엄격한 제약 조건을 포함하기 위해.
• 규범화군 진화(RGEs)에 따른 타당성 평가를 통해 10 테바르에서의 쿼드라틱 상호작용 상수가 10 TeV까지 파라미터가 유지되는지 확인하기 위해.
• 향후 LHC 탐색을 위한 충돌기 서명, 즉 $h \to ZA$ 및 비정상적인 힉스 붕괴를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 타입-X 2HDM에서 뮤온의 기여자 자기모멘트($a_\mu$)의 1차 루프 계산을 수행하며, $A$ 및 $H^\pm$ 보손으로부터의 2차 루프 바르-지에 기여를 포함한다.
• 1차 루프 수준에서 $Z\tau\tau$ 정점과 렙톤성 $\tau$ 붕괴 비율을 평가하여 정밀한 실험 데이터를 활용해 모형을 제약한다.
• 스칼라 4차 상호작용 상수를 10 TeV까지 규범화군 방정식(RGEs)을 적용해 진화시키며, 비정상성과 단위성을 확보한다.
• LEP II, LHC 런-I, $B_s \to \mu^+\mu^-$ 붕괴, 전자약력 정밀 관측량으로부터의 제약 조건을 통합한다.
• 효율적 상호작용과 루멘오시티 함수를 사용하여 LHC에서 힉스 쌍 생성($HA$, $H^+H^-$, $H^+A$)의 파arton 수준의 횡단면을 시뮬레이션한다.
• $h \to ZA$ 붕괴 분포율을 분석하여 이 모형을 테스트하는 핵심 서명으로 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입-X 2HDM은 모든 현재 제약 조건을 만족하면서도 실험 값에 대해 2$\sigma$ 이내로 뮤온 $g-2$ 격차를 줄일 수 있는가?
• RQ2 렙톤성 $\tau$ 붕괴는 $g-2$ 이질현상의 맥락에서 타입-X 2HDM의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 규범화군 진화는 이 모형의 스칼라 부문의 안정성과 비정상성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 가장 유리한 $g-2$ 매개변수 영역에서 추가 힉스 보손의 주요 충돌기 서명은 무엇인가?
• RQ5 $h \to ZA$ 붕괴 모드는 LHC에서 이 모형의 특징적인 신호로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 타입-X 2HDM은 루프 기여와 제약 조건의 상호작용로 인해 $g-\!2$ 격차를 2$\sigma$ 수준으로 줄일 수 있지만, 1$\sigma$ 이하로는 줄일 수 없다.
• 렙톤성 $\tau$ 붕괴 제약 조건을 포함함으로써 타당한 매개변수 영역이 크게 제한되며, 특히 큰 $\tan\beta$와 경량의 $A$ 보손의 경우 더욱 그렇다.
• 스칼라 4차 상호작용 상수가 랑도 극을 유발하지 않는 한, RGE 진화 과정에서 10 TeV까지 비정상성이 유지된다.
• 유리한 영역에서 $h \to ZA$ 붕괴 분포율은 몇 퍼센트 수준에 도달할 수 있으며, 이는 특징적인 충돌기 서명을 제공한다.
• $m_A \lesssim m_h/2$일 경우 $h \to ZA$ 붕괴가 증폭되어 LHC에서의 발견에 유망한 채널이 된다.
• 이 모형은 $\gamma\gamma$, $ZZ$, $WW$, $\tau\tau$로의 $h$ 상호작용에서 측정 가능한 편차를 예측하며, 이는 현재 및 향후 LHC 런에서 검증 가능하다.