[논문 리뷰] Muon g-2 and a type-X two Higgs doublet scenario: some studies in high-scale validity

Atri Dey, Jayita Lahiri외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 경량 편미분 보손을 통해 관측된 뮤온 비례자기모멘트($g-2$)를 설명하는 타입-X 이중 힉스 듀블릿 모델(2HDM)의 고에너지 스케일 유효성을 조사한다. 이중 고리 반복군 방정식을 사용하여, 특히 큰 $\tan\beta$와 비표준 모형 스칼라 질량이 일치하는 영역에서, 양자역학적 단위성과 진공 안정성이 플랑크 스케일까지 유지되는 영역을 규명한다. 이는 이러한 $g-2$-호환 가능한 시나리오의 UV 완성 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We study the high-scale validity of a Type-X two Higgs doublet scenario which provides an explanation of the observed value of muon $(g-2)$. This region admits of a pseudoscalar physical state, which is well below the observed 125-GeV scalar in mass. A second neutral scalar particle can be both above and below 125 GeV in such a scenario. Admissible regions in the parameter space are obtained by using the most recent data on muon $(g-2)$, theoretical constraints such as low-scale perturbativity and vacuum stability, and also all experimental constraints, including the available LHC results. Among other things, both the aforesaid orders of CP-even neutral scalar masses are included in our benchmark studies. Two-loop renormalisation group equations are used to predict the values of various couplings at high scales, and the regions in the space spanned by low-scale parameters, which retain perturbative unitarity as well as vacuum stability upto various scales are identified. We thus conclude that such a scenario, while successfully explaining the observed muon $(g-2)$, can be valid upto energy scales ranging from $10^{4}$ GeV to the Planck scale, thus opening up directions of thought on its ultraviolet completion.

연구 동기 및 목표

• 경량 편스칼라를 통해 관측된 뮤온 비례자기모멘트($g-2$)를 설명하는 타입-X 2HDM의 고에너지 스케일 유효성을 평가하기 위해.
• 낮은 에너지 스케일에서의 양자역학적 단위성, 진공 안정성, 모든 실험적 제약(특히 $h_{SM} \to AA$에 대한 LHC 한계)을 만족하는 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 이러한 $g-2$-호환 가능한 모형이 플랑크 스케일을 포함한 고에너지 스케일까지 양자역학적 단위성과 안정성을 유지할 수 있는지 판단하기 위해.
• 특히 게이지 상수 통합과 $\tan\beta$, 요카다 부호, 스칼라 질량 일치성과의 관계에서 UV 완성의 의미를 탐색하기 위해.
• 일중 고리와 이중 고리 반복군 진화 효과를 비교하여 결과의 정성적 안정성을 확인하기 위해.

제안 방법

• 전자약력 스케일에서 고에너지 스케일까지 4차 상호작용 상수를 진화시키기 위해 이중 고리 반복군 방정식(RGEs)을 사용하기 위해.
• 이론적 제약 적용: 낮은 에너지 스케일에서의 양자역학적 단위성, 진공 안정성, 스칼라 포텐셜의 트리 수준 양성.
• 실험적 제약 통합: 최근 3$\sigma$의 $g-2$ 측정치, $h_{SM} \to AA$ 분해비율에 대한 LHC 한계, 그리고 편스칼라 질량 $m_A < 100$ GeV.
• 네 가지 경우에 걸쳐 매개변수 공간 스캔: 125-GeV 힉스를 더 가벼운 CP-짝성 스칼라로 또는 더 무거운 CP-짝성 스칼라로 간주하고, 오른쪽 및 잘못된 부호의 요카다 상호작용을 고려하기 위해.
• 기준점들을 사용하여 반복군 진동 동안 4차 상호작용 상수($\lambda_1, \lambda_2, \lambda_3, \lambda_4, \lambda_5$)의 행동을 연구하고 고에너지 유효 영역을 규명하기 위해.
• 일중 고리와 이중 고리 RGE 결과를 비교하여, 특히 $\lambda_1$과 $\lambda_5$와 같은 핵심 제어 매개변수를 규명하는 데 있어 정성적 안정성을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 편스칼라($m_A \lesssim 100$ GeV)를 가진 타입-X 2HDM이 관측된 뮤온 $g-2$ 불일치를 성공적으로 설명하면서도 모든 LHC 및 전자약력 제약과 일치할 수 있는가?
• RQ2 타입-X 2HDM에서 양자역학적 단위성과 진공 안정성이 플랑크 스케일을 포함한 고에너지 스케일까지 유지되는 매개변수 영역은 어디인가?
• RQ3 비표준 모형 스칼라의 질량과 $\tan\beta$ 값은 모형의 고에너지 유효성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 4차 상호작용 상수 $\lambda_1$, $\lambda_5$, $\lambda_2$는 모형의 UV 행동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 $g-2$와 $BR(h_{SM} \to AA)$ 제약에 의해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 모형의 고에너지 유효성은 125-GeV 힉스가 더 가벼운가 아니면 더 무거운 CP-짝성 스칼라인가에 따라 달라지며, 이는 UV 완성 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 큰 $\tan\beta > 20$를 가진 모형은 $g-2$ 데이터에 의해 선호되지만, 고에너지 유효성과의 갈등을 일으키며, 이는 $g-2$ 데이터에 의해 유리하게 작용한다.
• 전자약력 스케일에서 작은 4차 상호작용 상수를 가진 영역에서는 고에너지 유효성이 높으며, 비표준 모형 스칼라 질량이 일치하고 125 GeV 근처일 경우 플랑크 스케일까지 연장된다.
• $\lambda_1$과 $\lambda_5$는 고에너지 행동의 주요 결정 요소이며, $g-2$ 또는 $BR(h_{SM} \to AA)$ 제약에 거의 영향을 받지 않는다.
• $\lambda_2$는 $g-2$와 $BR(h_{SM} \to AA)$에 의해 강하게 제약을 받지만, 고에너지 유효성 결정에 있어 부차적인 역할을 한다.
• 비표준 모형 스칼라가 상호 근접하고 125-GeV 힉스와 질량이 유사할 경우 고에너지 유효성이 가장 높으며, 특히 125-GeV 상태가 더 무거운 CP-짝성 스칼라인 경우에 특히 유리하다.
• 125-GeV 힉스가 더 가벼운 CP-짝성 스칼라인 케이스(1번 케이스)는 고에너지 유효성에 가장 불리하며, 비표준 모형 스칼라가 더 가벼운 케이스 3 및 4는 플랑크 스케일까지 유효성이 연장된다.