[논문 리뷰] Scrutinizing the Alignment Limit in Two-Higgs-Doublet Models. Part 1: $m_h = 125$ GeV

Jérémy Bernon, John F. Gunion외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 CP를 보존하는 타입 I 및 타입 II 2HDM에서 125 GeV 힉스 보손(h)이 게이지 보손들에 대해 SM 유사 상호작용을 갖는 경우(C_V ≈ 1)에 발생하는 정렬 한계를 조사한다. 이 경우 다른 힉스 상태가 무거운 것을 요구하지 않으며, 2HDMC와 Lilith를 사용한 수치적 스캔을 통해 경량의 추가 힉스 상태가 존재하는 경우에도 정렬이 가능함을 밝혀내며, LHC 데이터로부터의 다양한 현상물리적 서명과 제약 조건을 규명한다. 특히 런 2에서의 발견 가능성을 중심으로 분석한다.

ABSTRACT

In the alignment limit of a multi-doublet Higgs sector, one of the Higgs mass eigenstates aligns with the direction of the scalar field vacuum expectation values, and its couplings approach those of the Standard Model (SM) Higgs boson. We consider CP-conserving Two-Higgs-Doublet Models (2HDMs) of Type I and Type II near the alignment limit in which the lighter of the two CP-even Higgs bosons, $h$, is the SM-like state observed at 125 GeV. In particular, we focus on the 2HDM parameter regime where the coupling of $h$ to gauge bosons approaches that of the SM. We review the theoretical structure and analyze the phenomenological implications of the regime of alignment limit without decoupling, in which the other Higgs scalar masses are not significantly larger than $m_h$ and thus do not decouple from the effective theory at the electroweak scale. For the numerical analysis, we perform scans of the 2HDM parameter space employing the software packages 2HDMC and Lilith, taking into account all relevant pre-LHC constraints, the latest constraints from the measurements of the 125 GeV Higgs signal at the LHC, as well as the most recent limits coming from searches for heavy Higgs-like states. We contrast these results with the alignment limit achieved via the decoupling of heavier scalar states, where $h$ is the only light Higgs scalar. Implications for Run 2 at the LHC, including expectations for observing the other scalar states, are also discussed.

연구 동기 및 목표

• CP를 보존하는 타입 I 및 타입 II 2HDM에서 125 GeV 힉스 보손 h가 게이지 보손들에 대해 SM 유사 상호작용을 갖는 조건(C_V ≈ 1)에서 정렬 한계를 조사하는 것.
• 기타 힉스 상태(H, A, H±)가 경량이어서 전자약 스케일에서 효과 이론에서 탈리포팅되지 않는, 탈리포팅 없이 정렬이 이루어지는 영역을 탐색하는 것.
• 현재 LHC 제약 조건 하에서, 이러한 정렬 시나리오의 현상물리적 결과를 분석하는 것. 이는 페르미온 상호작용의 변화와 삼중 힉스 자기상호작용의 변화를 포함한다.
• 모든 비-SM 힉스 상태가 무거운 표준 탈리포팅 한계와 비교하여, 탈리포팅 없이 정렬되는 경우의 현상물리적 특성을 분석하는 것.
• 탈리포팅 없이 정렬되는 시나리오 하에서 LHC 런 2에서 추가 힉스 상태를 발견할 가능성 평가

제안 방법

• 모든 전-LHC 제약 조건과 최신 LHC 힉스 신호 강도 측정치를 포함한 2HDMC 및 Lilith 소프트웨어 패키지를 사용하여 수치적 매개변수 공간 스캔을 수행한다.
• 125 GeV 상태 h가 SM 게이지 상호작용과 정렬된 상태에 있도록 보장하기 위해 조건 C_V^h > 0.99를 적용한다.
• 단위성, 양자역학적 안정성, 진공 안정성 등의 이론적 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제한한다.
• 특히 추가 레지온의 비관측 결과를 반영하여, 무거운 힉스 유사 상태에 대한 LHC 탐색 결과에서의 현상물리적 제약 조건을 포함한다.
• 물리적 힉스 질량을 바탕으로 삼중 힉스 상호작용을 스칼라 포텐셜의 매개변수와 혼합 각도의 해석적 표현식을 통해 유도한다.
• 직접적인 상호비교를 통해, 탈리포팅 없이 정렬되는 영역과 표준 탈리포팅 한계를 비교함으로써 상호작용 변화와 발견 가능성의 차이를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CP를 보존하는 2HDM에서 125 GeV 힉스 보손이 다른 힉스 상태들이 무거운 것을 요구하지 않고도 SM 유사 게이지 상호작용(C_V ≈ 1)을 갖는 정렬 한계에 도달할 수 있는가?
• RQ2 타입 I 및 타입 II 2HDM에서 정렬이 이루어지지만 추가 힉스 상태들이 경량인 경우의 타당한 매개변수 영역은 어디인가?
• RQ3 탈리포팅 없이 정렬되는 영역에서, 페르미온 상호작용(C_U, C_D)과 삼중 힉스 자기상호작용은 탈리포팅 한계와 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ4 탈리포팅 없이 정렬되는 시나리오 하에서 LHC 런 2에서 추가 힉스 상태(H, A, H±)의 발견 가능성은 어떠한가?
• RQ5 현재 LHC의 신호 강도 제약 조건과 무거운 힉스 상태의 비관측 결과는 정렬 한계에서의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 기타 힉스 상태(H, A, H±)가 경량이어도 C_V^h > 0.99 조건을 만족함으로써 정렬 한계를 달성할 수 있으며, 이는 SM 유사 게이지 상호작용을 위해 탈리포팅이 필수적이지 않음을 보여준다.
• 탈리포팅 없이 정렬되는 영역에서는 125 GeV 힉스 보손의 페르미온 상호작용 C_U와 C_D가 1에서 크게 벗어날 수 있으며, 이와 동시에 C_V는 1에 가까운 상태를 유지할 수 있다.
• 삼중 힉스 자기상호작용, 특히 g_hhh와 g_HHH는 혼합 각도 β−α와 질량 스펙트럼에 강하게 의존하며, 경량 힉스 영역에서는 SM과의 명백한 이격이 발생한다.
• 이 연구는 125 GeV 상태 h가 경량의 H 및 A 상태가 존재하는 상황에서도 진공 기대값 방향과 정렬되는 2HDM 매개변수 공간의 특정 영역을 규명하였으며, 이는 현재 LHC 데이터와 일치한다.
• LHC 런 2에서는 탈리포팅 없이 정렬되는 시나리오 하에서 추가 힉스 상태의 발견 가능성이 높으며, 특히 H→bb 및 H→ττ 붕괴 채널에서 질량과 혼합 매개변수에 따라 달라진다.
• LHC 탐색에서의 무거운 힉스 상태 비관측 결과는 특히 H 및 A 질량이 125 GeV 이하일 경우 타당한 매개변수 공간을 제약하는 데 핵심적인 역할을 한다.