[논문 리뷰] Prospects of light charged scalars in a three Higgs doublet model with $Z_3$ symmetry

Manimala Chakraborti, Dipankar Das외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $Z_3$ 대칭을 가진 세 중형 이중체 모형(3HDM)의 정렬 한계에서, 타입-II 2HDM에 비해 쿠퍼링에 추가로 억제되는 성질 덕분에, 쿠퍼링에 대한 풍미 물리학 제약가 크게 완화됨을 조사한다. 그 결과, LHC 정밀 측정과 이중광자 붕괴 비율과도 일치하면서도, $\mathcal{O}(200~\text{GeV})$ 수준의 낮은 질량을 가진 채워진 힉스 보손이 가능하다.

ABSTRACT

The stringent constraints from the direct searches for exotic scalars at the LHC as well as indirect bounds from flavor physics measurements have imposed severe restrictions on the parameter space of new physics models featuring extended Higgs sectors. In the Type-II 2HDM, this implies a lower bound on the charged Higgs masses of $\cal O$(600 GeV). In this work we analyze the phenomenology of a Z3HDM in the alignment limit focusing on the impact of flavor physics constraints on its parameter space. We show that the couplings of the two charged Higgs bosons in this model feature an additional suppression factor compared to Type-II 2HDM. This gives rise to a significant relaxation of the flavor physics constraints in this model, allowing the charged Higgs masses to be as low as $\cal O$(200 GeV). We also consider the constraints coming from precision electroweak observables and the observed diphoton decay rate of the 125 GeV Higgs boson at the LHC. The bounds coming from the direct searches of nonstandard Higgs bosons at the LHC, particularly those from resonance searches in the ditau channel, prove to be very effective in constraining this scenario further.

연구 동기 및 목표

• 정렬 한계에서 경량 CP-짝성 힉스 보손이 표준모형과 유사한 125 GeV의 특성을 띠는 $Z_3$ 대칭 3HDM의 현상학을 탐색하는 것.
• 특히 $b \to s\gamma$ 및 $B_q$ 혼합에서 유래하는 풍미 물리학 제약이 모형의 매개변수 공간에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 두 개의 채워진 힉스 보손이 쿠퍼링이 억제되는 것을 고려할 때, 타입-II 2HDM에 비해 더 낮은 질량을 가질 수 있는지 확인하는 것.
• LHC에서 관측된 125 GeV 힉스 보손의 이중광자 붕괴 비율과 정밀 전자기 관측치에 의한 제약을 평가하는 것.
• 특히 이중타우 채널에서의 직접 LHC 공명 탐색 결과가 타당한 매개변수 공간에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 모형은 세 개의 힉스 이중체를 포함하는 $Z_3$ 대칭 3HDM이며, 진공 기대값과 혼합 각도에 대한 해석적 조건을 통해 정렬 한계를 강제로 적용한다.
• 쿠프링은 타입-II 2HDM에 비해 추가적인 요소로 인해 쿠퍼링이 억제되며, 이는 $\tan\beta_1$, $\tan\beta_2$, 및 $\gamma_2$ 간의 상호작용에 기인한다.
• 풍미 관측량인 $b \to s\gamma$ 붕괴 비율과 $B_q$ 혼합($\Delta M_{B_q}$)은 두 개의 채워진 힉스 상태를 포함하는 1차원 상자 도형을 통해 계산되며, 효율적 라그랑지안에서 유도된 루프 함수 $I_1$ 및 $I_2$를 사용한다.
• 125 GeV 힉스 보손의 이중광자 붕괴 비율은 채워진 힉스 보손의 루프 기여를 통해 평가되며, 관측된 $125~\text{GeV}$ 신호 강도와 일치함을 보장한다.
• 직접 LHC 탐색 결과—특히 $\gamma\gamma$ 및 $\tau\tau$ 최종 상태에서의 결과—과 정밀 전자기 관측치에 의한 제약 조건이 매개변수 공간에 적용된다.
• 모형 매개변수인 $m_{H^+}$, $\tan\beta_1$, $\tan\beta_2$, $\gamma_2$에 대한 수치적 스캔을 수행하여 모든 실험적 제약 조건을 만족하는 영역을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 채워진 힉스 보손을 가진 $Z_3$ 대칭 3HDM은 풍미 물리학 제약을 충족하면서도 600 GeV 이하의 낮은 채워진 힉스 질량을 수용할 수 있는가?
• RQ2 이 3HDM 모형에서 채워진 힉스 보손의 쿠퍼링에 추가로 억제되는 성질이 타입-II 2HDM에 비해 $b \to s\gamma$ 및 $B_q$ 혼합에 미치는 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정밀 전자기 관측치와 125 GeV 힉스 보손의 이중광자 붕괴 비율은 모형의 타당한 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 이중타우 최종 상태에서의 직접 LHC 탐색은 이 모형에서 빛나는 채워진 스칼라의 매개변수 공간을 얼마나 효과적으로 제약하는가?
• RQ5 모든 저에너지 및 고에너지 실험 데이터와 일치하는 조건에서 $Z_3$ 대칭 3HDM에서 정렬 한계가 일관되게 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 타입-II 2HDM에 비해 훨씬 더 느슨한 풍미 물리학 제약를 가지는 것은, $\tan\beta_1$, $\tan\beta_2$, 및 $\gamma_2$ 간의 상호작용에 기인한 채워진 힉스 보손 쿠퍼링의 추가 억제 요소 덕분이다.
• 그 결과, 타입-II 2HDM에서 일반적으로 $\mathcal{O}(600~\text{GeV})$ 수준의 하한선을 가지는 것에 비해, 채워진 힉스 보손 질량이 $\mathcal{O}(200~\text{GeV})$ 수준까지 낮아질 수 있다.
• 쿠프링의 대칭적 특성과 정렬 한계 덕분에 $\rho$-파라미터 제약은 자동으로 만족된다.
• 125 GeV 힉스 보손의 이중광자 붕괴 비율은 관측된 LHC 값과 일치하며, 채워진 힉스 보손의 루프 기여로 인한 수정 항은 실험적 범위 내에 유지된다.
• 직접 LHC 탐색, 특히 이중타우 공명 채널에서의 결과는 강력한 제약 조건을 제공하며, 특히 $m_{H^+} \lesssim 300~\text{GeV}$ 영역에서는 매개변수 공간의 큰 부분을 배제한다.
• 풍미 물리학, 정밀 전자기 관측치, 이중광자 붕괴 비율, 직접 탐색의 병합된 제약 조건은, $\tan\beta_1$ 및 $\tan\beta_2$ 가 적절히 조정된 경우, 빛나는 채워진 힉스 보손을 가진 타당한 매개변수 공간을 허용한다.