[논문 리뷰] Two Higgs Doublet Model, Standard Model-like Scenario and Resolving SM from 2HDM at Photon Colliders

I. F. Ginzburg, M. V. Vychugin|ArXiv.org|2002. 01. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CP 위반과 플레이어어링 중성미자 전환을 억제한 자연스러운 두 힉스 두중체 모형(2HDM)을 조사하며, LHC와 $e^+e^-$ 충돌기에서 표준모형(SM)과의 편차가 발견되지 않는 표준모형 유사 시나리오가 광범위한 2HDM 매개변수 공간에서 여전히 유효함을 보여준다. 또한 두 광자 반응 $ olimits\gamma\gamma \to h$와 $e\gamma \to eh$ 과정을 통해 이 자연스러운 2HDM을 표준모형과 구별할 수 있으며, 1\sigma 실험 정밀도에서도 두 광자 너비의 뚜렷한 편차를 감지할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

1. Discussing 2HDM and Higgs potential, we find the parameters range giving naturally weak effects of CP violation and Flavor Changing Neutral Currents. Within this approach, the widely discussed decoupling limit with heavy $H^\pm$, $H$ and $A$ corresponds to an unnatural set of 2HDM parameters. 2. We define the SM--like scenario as that in which after LHC and e^+e^- LC operations no visible deviations from the minimal SM will be found. We find all the parameter ranges of 2HDM compatible with this scenario. 3. We show that the study of Higgs boson production at Photon Colliders (processes $γγ o h$ and $e γ o eh$) can help to distinguish minimal SM from 2HDM with natural set of parameters.

연구 동기 및 목표

• CP 위반과 FCNC 효과가 억제된 자연스러운 2HDM 매개변수 공간을 규명하여 비자연스러운 분리한계 상태를 피하는 것.
• LHC와 $e^+e^-$ 충돌기에서 표준모형(SM) 예측과의 관측 가능한 편차가 없는 조건에서의 표준모형 유사 시나리오를 정의하고 특성화하는 것.
• 빛자국 충돌기 실험의 잠재력을 평가하여, $\gamma\gamma$ 및 $e\gamma$ 과정에서의 힉스 생성을 통해 자연스러운 2HDM과 표준모형을 구별할 수 있는지 분석하는 것.
• 특히 자연스러운 요카다 촉매 상수를 가진 해들에 대해, $\gamma\gamma \to h$ 및 $e\gamma \to eh$ 단면적의 민감도를 분석하는 것.

제안 방법

• CP 위반과 FCNC를 억제하기 위해 $Z_2$ 대칭을 가진 일반적인 2HDM 힉스 포텐셜을 사용하며, 소프트 $Z_2$ 위반을 통한 $(\phi_1,\phi_2)$의 작은 혼합만 允허한다.
• 표준모형 유사 시나리오는 고에너지 충돌기에서 표준모형 예측과의 관측 가능한 편차가 없음을 정의하며, 이러한 조건 하에서 허용된 2HDM 매개변수 범위를 매핑한다.
• 표준모형 값에 대한 힉스 결합 $\chi_i^\phi$를 계산하며, 두 광자 너비의 편차를 정량화하기 위해 비율 $|\chi_{\gamma\gamma}|^2$를 사용한다.
• $\gamma\gamma \to h$ 및 $e\gamma \to eh$ 단면적을 2HDM에서 계산하고, 표준모형 예측과 비교하며, 예상되는 1$\sigma$ 실험 한계 하에서 민감도 분석을 수행한다.
• fermion 결합 패턴에 따라 해들을 유형 A와 B로 분류한다: A는 $\chi_u = \chi_d = \chi_V = 1$을 가정하고, B는 $\chi_u + \chi_d \approx 0$을 가정하여 두 광자 너비 행동이 다름.
• 자연스러움 조건을 위해 $\mu \lesssim v$를 만족하는 $H^\pm$ 루프 기여를 모델링하기 위해 관계식 $|\chi_{\gamma\gamma}|^2 = 1 - R_{\gamma\gamma}(1 - |\mu^2|/M_{H^\pm}^2)$를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 2HDM 매개변수 범위에서 CP 위반과 FCNC 효과가 자연스럽게 억제되며, 분리한계 상태를 피할 수 있는가?
• RQ2 LHC와 $e^+e^-$ 충돌기에서 표준모형과의 편차가 관측되지 않는 조건을 만족하는 타당한 2HDM 실현은 무엇인가?
• RQ3 광자 충돌기 과정 $\gamma\gamma \to h$ 및 $e\gamma \to eh$는 자연스러운 2HDM을 표준모형과 구별할 수 있으며, 어느 정도의 민감도로 감지 가능한가?
• RQ4 다른 2HDM 해들(유형 A와 B)은 두 광자 힉스 너비와 $e\gamma \to eh$ 단면적에 어떻게 영향을 주며, 실험적으로 구별 가능한가?
• RQ5 $H^\pm$ 루프 기여가 2HDM에서 힉스 결합을 어느 정도 수정할 수 있으며, 이는 표준모형에서의 편차 감지 가능성에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 작은 $(\phi_1,\phi_2)$ 혼합과 함께 억제된 CP/FCNC 효과를 가진 자연스러운 2HDM은 분리한계 상태와는 다름없는 넓은 매개변수 공간을 차지하며, 이는 비자연스러운 매개변수를 요구한다.
• 2HDM에서의 표준모형 유사 시나리오는 분리한계 상태 외에도 빛의 빈도를 가진 타원형 힉스 보손이 포함된 여러 실현을 포함한다.
• 자연스러운 2HDM에서 두 광자 힉스 너비는 표준모형 값에서 크게 벗어날 수 있으며, 특히 해 $B_{h+u}$에서 최대 20%까지 편차를 보이며 광자 충돌기에서 감지 가능하다.
• $M_h < 160$ GeV 범위에서는 $e\gamma \to eh$ 단면적이 상당한 보완적 민감도를 제공하며, 특히 $t$-쿼크 루프 기여로 인해 $B_{h+u}$ 해에서 크게 증가한다.
• 해 $B_{\phi\pm u}$는 강한 CP 위반 또는 FCNC 효과와 무관하게, 낮은 실험 정밀도에서도 $\gamma\gamma \to h$ 너비에서 뚜렷한 편차를 보이며, 이는 명백한 신호이다.
• 논문은 $\gamma\gamma$ 또는 $e\gamma$ 과정만으로는 관측된 힉스가 2HDM 스펙트럼에서 가장 가벼운 상태($h_1$)인지 가장 무거운 상태($H$)인지 구별할 수 없다는 것을 발견했다.