[논문 리뷰] On distinguishing the direct and spontaneous CP violation in 2HDM

Dorota Sokołowska, Maria Krawczyk외 1명|ArXiv.org|2008. 12. 01.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 힉스 이중체 모형(2HDM)에서 명시적 및 자발적 CP 위반을 구별하기 위한 기저 불변 방법을 제시한다. 두 종류의 CP-홀 위상 기저 불변량인 $J$-불변량과 $I$-불변량을 사용하여, $J$-불변량은 스칼라 자기상호작용에서의 CP 위반을 감지하고, $I$-불변량은 라그랑지안 매개변수에서의 명시적 CP 위반을 식별한다. 주요 기여는 물리적 힉스 상태가 확정된 CP 양자수를 가지지만, 복소수 $\lambda_7$ 상호작용을 통해 CP 위반 자기상호작용이 발생하는 새로운 시나리오—즉, CP 혼합이 없는 CP 위반—를 규명한 것이다. 이 경우, 홀수 개의 CP-홀 필드 꼬임이 발생한다.

ABSTRACT

The most general Two Higgs Doublet Model (2HDM) allows both for the explicit and the spontaneous CP violation in the scalar sector. Here we discuss CP violation in terms of basis-independent quantities and show how using two different sets of known CP-odd weak-basis invariants one can distinguish between CP conservation, explicit CP violation and spontaneous CP violation. The special case of CP violation without CP mixing, in which the neutral Higgs gauge boson interaction respects CP while Higgs self-interaction violates CP symmetry, is also presented.

연구 동기 및 목표

• 2HDM 스칼라 섹터에서 명시적 및 자발적 CP 위반을 구별하기 위한 기저 불변 방법을 개발하는 것.
• $J$- 및 $I$-불변량이 다양한 유형의 CP 위반을 감지하는 데서 수행하는 역할를 명확히 하는 것.
• 물리적 힉스 상태가 서로 다른 CP 대칭성을 가진 상태 간의 혼합 없이도 CP 위반이 발생할 수 있는지 조사하는 것.
• 게이지 보손 상호작용과 질량 행렬이 CP를 유지하더라도, CP 위반 자기상호작용이 발생할 수 있음을 보여주는 것.
• 2HDM에서 CP 위반이 상태 간의 CP 혼합과 동일시되는 오해를 해결하는 것.

제안 방법

• 연구는 기저 불변의 CP-홀 불변량인 $J$-불변량(자르스코그 불변량과 유사)과 $I$-불변량을 사용한다. 이들은 CP 위반의 서로 다른 측면에 민감하다.
• 히긴스 기저를 사용하여 스칼라 이중체를 물리적 필드로 분해한다: CP-짝수($\eta_1, \eta_2$)와 CP-홀($A$)로 나누어 질량 행렬과 상호작용을 분석할 수 있다.
• 히긴스 기저에서 중성 힉스 상태의 제곱 질량 행렬을 구성하며, 비대칭 요소는 CP 혼합을 나타낸다. $M_{13}, M_{23}$이 0이면 CP 혼합이 없다.
• $J$-불변량은 4차 상호작용 계수 $\lambda_5, \lambda_6, \lambda_7$의 허수 부분에서 계산되며, 특히 $J_2, J_3 \propto \text{Im}(\lambda_7)$로 표현되어 자기상호작용에서의 CP 위반을 감지한다.
• $I$-불변량은 라그랑지안 매개변수의 복소수성으로 인한 CP 위반이 명시적으로 발생하는지 판단하는 데 사용되며, $I_i = 0$이면 명시적 CP 위반이 없다는 것을 의미한다.
• $J$- 및 $I$-불변량의 비교를 통해 CP 행동을 분류한다: $J \neq 0, I = 0$는 자발적 CP 위반을, $J \neq 0, I \neq 0$는 명시적 CP 위반을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM 스칼라 섹터에서 $J$- 및 $I$-불변량을 함께 사용하여 명시적 및 자발적 CP 위반을 구별할 수 있는가?
• RQ2 서로 다른 CP 대칭성을 가진 상태 간의 혼합 없이도 2HDM에서 CP 위반이 발생할 수 있는가?
• RQ3 게이지 보손 상호작용과 질량 행렬이 CP를 유지할 때, 복소수 매개변수 $\lambda_7$가 어떤 역할을 하여 CP 위반 자기상호작용을 생성하는가?
• RQ4 $J$- 및 $I$-불변량은 다양한 유형의 CP 위반에 어떻게 반응하며, 기저 불변 방식으로 CP 위반의 성격을 분류하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 물리적 힉스 상태가 확정된 CP 양자수를 가진 모형에서, $A \to HH$ 또는 $A \to hH$와 같은 CP 위반 붕괴 모드가 발생할 수 있는가?

주요 결과

• $J$-불변량은 힉스 자기상호작용에서의 CP 위반을 감지하며, $\text{Im}(\lambda_7) \neq 0$이면 $J_2, J_3 \neq 0$가 되며, 이는 CP 혼합이 없을 때도 성립한다.
• $I$-불변량은 모든 라그랑지안 매개변수가 실수일 경우 0이 되며, 이는 명시적 CP 위반이 없음을 의미한다. $I_i$ 값이 0이 아니면 명시적 CP 위반이 발생한다.
• CP 혼합이 없는 경우, $M_{13} = M_{23} = 0$이므로 물리적 힉스 상태 $h, H, A$는 확정된 CP 양자수를 가지며, $J$-불변량이 여전히 비영일 수 있다.
• $\text{Im}(\lambda_7) \neq 0$ 존재 시, $AAA$, $Ahh$, $AHH$, $AhH$와 같은 CP 위반 삼중 상호작용이 발생하며, 이는 CP 보존 모형에서는 금지된다.
• CP 위반 자기상호작용 덕분에 CP-홀 힉스 $A$의 새로운 붕괴 채널이 가능해지며, $A \to hh$, $A \to HH$, $A \to H^+H^-$ 등이 포함된다.
• $J \neq 0$ 이고 $I = 0$이면 자발적 CP 위반을, $J \neq 0$ 이고 $I \neq 0$이면 명시적 CP 위반을 식별할 수 있으며, 이는 2HDM 스칼라 섹터에서의 CP 행동을 완전히 분류하는 데 기여한다.