[논문 리뷰] Two-Higgs-Doublet Models with CP violation

I. F. Ginzburg, Maria Krawczyk외 1명|ArXiv.org|2002. 11. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 소프트 $Z_2$ 대칭 위반을 수반하는 명시적 CP 위반을 포함하는 두 힉스 두중체 모형(2HDM)을 조사하며, CP 위반과 플레버 변화 중성미자 전류가 작게 유지되는 시나리오에 초점을 맞춘다. 작은 $m_{12}^2$ 값—특히 $μ^2$가 작을 경우—는 표준모형(SM) 유사 힉스 보손이 표준모형 결합을 갖는 데에 허용되며, 더 무거운 힉스 상태(최대 1 TeV)도 디커플링 없이도 실험 제약 조건과 일치함을 보여준다.

ABSTRACT

We consider the Two-Higgs-Doublet Model and determine the range of parameters for which CP violation and Flavor Changing Neutral Current effects are naturally small. It corresponds to small values of the mass parameter m_{12}^2, describing soft (ϕ_1,ϕ_2) mixing in the potential. We discuss how, in this approach, some Higgs bosons can be heavy, with mass of the order of 1 TeV. The possibility that at the Tevatron, LHC and an e^+e^- Linear Collider, only one Higgs boson will be found, with properties indistinguishable from those in the Standard Model (SM), we define as the SM-like scenario. While this scenario can be obtained with large μ^2 \sim \Re m_{12}^2 parameter, in which case there is decoupling, we here discuss the opposite case of small μ^2, without decoupling.

연구 동기 및 목표

• 소프트 $Z_2$ 대칭 위반이 있는 두 힉스 두중체 모형에서 CP 위반과 플레버 변화 중성미자 전류가 천연적으로 작은 매개변수 영역을 규명하는 것.
• 디커플링 한계 없이도 테바트론, LHC, 및 $e^+e^-$ 선형 충돌기에서 SM 유사 힉스 보손이 존재할 수 있는 가능성을 탐색하는 것.
• $\mu^2 = \mathrm{Re}(m_{12}^2 e^{i\xi}) v^2 / (v_1 v_2)$ 와 $\mathrm{Im}(\lambda_5)$ 가 힉스 영역에서 CP 위반을 어떻게 유도하는지 분석하는 것.
• 작은 $\mu^2$와 큰 $|\mathrm{Re}(\lambda_5)|$를 가진 디커플링 불가 시나리오가 여전히 SM 유사 결합을 갖는 경량 힉스를 초래할 수 있는지 결정하는 것.
• 이러한 모형의 현상학적 서명을 충돌기에서 평가하는 것, 특히 $h \to \gamma\gamma$ 및 $h \to gg$ 붕괴 비율에서의 특징을 분석하는 것.

제안 방법

• 소프트 $Z_2$ 대칭 위반을 가능하게 하기 위해 $\lambda_6 = \lambda_7 = 0$ 이지만 $m_{12}^2 \neq 0$ 인 두 힉스 두중체 모형의 포텐셜을 사용한다.
• 재단정 불변성을 적용하여 진공 위상 $\xi = 0$ 으로 설정함으로써, $\mathrm{Im}(\lambda_5)$ 와 $\mathrm{Im}(m_{12}^2)$ 를 통한 CP 위반 분석을 단순화한다.
• 비대칭 항을 포함한 중성 힉스 질량 행렬식(식 5)을 유도하며, $\mathrm{Im}(\lambda_5) \neq 0$ 일 경우 $h$, $H$, $A$ 상태가 $\mathrm{Im}(\lambda_5)$ 비례하는 비대칭 항에 의해 혼합됨을 보여준다.
• 로테이션 행렬 $R$ (식 6) 를 통해 질량 행렬을 대각화함으로써, CP 위반이 존재할 경우 물리적 상태 $h_1, h_2, h_3$ 를 정의한다.
• 로테이션 행렬 요소와 $\beta$ 를 사용하여 페르미온과 게이지 보손으로의 힉스 결합을 분석하며, $\chi_u^{h_i}$, $\chi_d^{h_i}$, $\chi_V^{h_i}$ 를 $R_{ij}$ 와 $\beta$ 를 통해 표현한다(식 9).
• 삼중 결합 $g_{hH^+H^-}$ 를 통해 순환 유도 붕괴 비율 $\Gamma(h \to \gamma\gamma)$ 와 $\Gamma(h \to gg)$ 를 평가하며, 이는 $\mu^2$ 와 $M_{H^\pm}^2$ 를 매개변수로 한다(식 11).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트 $Z_2$ 대칭 위반이 있는 두 힉스 두중체 모형에서 CP 위반과 플레버 변화 중성미자 전류가 언제 작게 유지될 수 있는가?
• RQ2 표준모형(SM) 유사 힉스 보손이 디커플링 한계 없이 존재할 수 있는가, 즉 $\mu^2$ 가 작을 경우에?
• RQ3 디커플링 불가 시나리오에서 순환 유도 붕괴 비율 $\Gamma(h \to \gamma\gamma)$ 와 $\Gamma(h \to gg)$ 는 표준모형과 얼마나 다를 수 있는가?
• RQ4 $\mathrm{Im}(\lambda_5)$ 는 힉스 영역에서 CP 위반 효과를 어떻게 유도하는가? 그리고 재단정 불변성에 의해 어떻게 제약을 받는가?
• RQ5 $\gamma\gamma$ 충돌기에서 $h \to \gamma\gamma$ 의 편차를 통해 2HDM 포텐셜의 형태(큰 vs. 작은 $\mu^2$)를 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 작은 $m_{12}^2$ 값—특히 작은 $\mu^2$—는 디커플링 없이도 $W$, $Z$, 토프, 바텀 쿼크와의 상호작용이 표준모형과 거의 동일한 SM 유사 힉스 보손을 가능하게 한다.
• 작은 $\mu^2$ 이지만 큰 $|\mathrm{Re}(\lambda_5)|$ 인 경우, 페시터 색채 힉스 $A$ 와 채워진 힉스 $H^\pm$ 는 무거운(최대 1 TeV) 상태로 유지되며, 실험 제약 조건과 일치한다.
• 작은 $\mu^2$ 인 디커플링 불가 시나리오에서 $h \to \gamma\gamma$ 붕괴 폭은 $\mu^2/M_{H^\pm}^2$ 비율에 따라 몇 퍼센트 정도 표준모형에서 벗어날 수 있으며, 그림 1(좌측 패널)에서 이를 확인할 수 있다.
• 솔루션 B(상반된 부호의 쿼크에 대한 결합)의 경우, $h \to gg$ 붕괴 폭 역시 표준모형에서 벗어나며, 그 효과는 그림 1(우측 패널)에서 명백히 드러나며, 특히 $\mu^2 < M_{H^\pm}^2$ 일 경우 두드러진다.
• 삼중 결합 $g_{hH^+H^-}$ 는 $h \to \gamma\gamma$ 와 $h \to gg$ 비율을 지배하며, $\mu^2$ 와 $M_{H^\pm}^2$ 에 의존한다. $\mu^2 \sim M_{H^\pm}^2$ 일 경우, $\Gamma_{\gamma\gamma}$ 에서의 표준모형 편차를 억제할 수 있도록 조정할 수 있다.
• CP 위반 경우에 대해 $ (\chi_u^{h_i} + \chi_d^{h_i}) \chi_V^{h_i} = 1 + \chi_u^{h_i} \chi_d^{h_i} $ (식 10) 의 패턴 관계가 성립하며, 이는 충돌기에서 힉스 결합에 대한 검증 가능한 제약 조건을 제공한다.