[논문 리뷰] Two-photon Higgs width and triple Higgs coupling in 2HDM at SM-like scenario

I. F. Ginzburg|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 유사 시나리오 하에서 이중 힉스 두중우 모형(2HDM) 내에서 두 광자 힉스 붕괴 너비와 삼중 힉스 결합의 편차를 조사한다. 만약 $H^+H^-h_1$ 결합이 크다면, 직접적으로 빛은 힉스 보손을 발견하기 전에 새로운 물리학의 간접적 증거로 이어질 수 있는 두 관측량에서 동시에 큰 편차가 발생할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Within 2HDM, sizable deviations of the triple Higgs coupling and the two-photon Higgs width from their SM values can have a common origin. If SM-like scenario for the observed Higgs boson is realized, mentioned deviations can be either visible simultaneously or not observable at the LHC.}

연구 동기 및 목표

• 표준모형 유사 시나리오 하에서 2HDM 내에서 두 광자 힉스 너비와 삼중 힉스 결합에 큰 편차가 동시에 존재할 수 있는지 조사하기 위해.
• 직접적으로 빛은 힉스 보손을 탐지하지 못하는 상황에서도 이러한 편차가 LHC에서 관측될 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 루프 유도된 힉스 붕괴와 자기결합에서 관측 가능한 효과를 생성하는 데 있어 $H^+H^-h_1$ 정점의 역할을 탐색하기 위해.
• 직접적으로 새로운 힉스 상태를 발견하지 못하는 상황에서 간접 신호를 통해 새로운 물리학 효과의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• CP 위반 효과와 무거운 중성 힉스 보손이 비표준 힉스 결합의 관측 가능성에 미치는 영향을 검토하기 위해.

제안 방법

• Higgs 결합의 SM 예측에서의 편차를 표현하기 위해 상대적 결합 상수 $\chi^P_a$와 $\chi^\pm_a$를 사용한다.
• Higgs 섹터의 단위성과 에르미트성에서 유도된 합 규칙을 적용하여 매개변수 공간을 제약한다.
• $H^\pm$ 및 CP-홀드 성분을 포함한 루프 기여를 통해 두 광자 붕괴 너비 $\Gamma(h_1 \to \gamma\gamma)$를 분석한다.
• $\chi^\pm_1$를 통해 삼중 힉스 결합 $g(h_1h_1h_1)$를 평가하며, 이는 $H^+H^-h_1$ 정점 강도에 민감함을 보여준다.
• 예를 들어 $M_{2,3} \gtrsim \text{TeV}$ 또는 $\chi^\pm_a \gtrsim 10$와 같은 극단적 매개변수 영역을 고려하여 비정상적인 효과를 평가한다.
• 중간 매개변수 설정 하에서 현실적인 편차를 평가하기 위해 $\varepsilon_V^1 \approx 0.1$을 사용한 수치적 추정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM에서 두 광자 힉스 너비와 삼중 힉스 결합이 모두 표준모형 값에서 크게 벗어나기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ2 $H^+H^-h_1$ 결합은 $\Gamma(h_1 \to \gamma\gamma)$와 $g(h_1h_1h_1)$의 관측 가능한 편차와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 큰 삼중 힉스 결합 편차가 두 광자 너비에 큰 영향을 주지 않더라도 발생할 수 있는가, 아니면 반드시 상관관계가 있는가?
• RQ4 무거운 중성 힉스 보손($M_{2,3} \gtrsim \text{TeV}$) 또는 강하게 결합된 $h_a H^+H^-$ 정점은 관측 가능한 효과를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 표준모형 유사 시나리오에서 $\varepsilon_V \sim 0.1$일 경우, 직접적으로 $H^\pm$를 발견하기 전에 간접적 신호를 통해 새로운 물리학을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 만약 $H^+H^-h_1$ 정점 강도가 크다면, 중간 수준의 $M_\pm$ 조건에서도 두 광자 힉스 너비와 삼중 힉스 결합에서 모두 큰 편차가 동시에 존재할 수 있다.
• $B_\pm \chi_1^\pm$ 곱이 크면($B_\pm \sim M_\pm^2/v$), $|\chi(h_1h_1h_1) - 1| \gtrsim 1$이 되어 삼중 힉스 결합이 강하게 수정됨을 나타낸다.
• 동시에 큰 $H^+H^-h_1$ 결합은 $\Gamma(h_1 \to \gamma\gamma)$에서 상당한 편차를 유도하며, 이는 핵심적인 간접 탐사 도구가 된다.
• 중간 매개변수 조건에서는 $H^+H^-h_1$ 결합이 강화되거나 $h_2, h_3$ 상태가 매우 무거워져야($> \text{TeV}$) 삼중 힉스 결합의 편차가 발생할 가능성이 낮다.
• $M_2 \in (250, 400)$ GeV 이며 $|\chi^t_2| > 1$일 경우, $h_2$ 상태는 좁고 SM 힉스보다 더 큰 글루온 융합 단면적을 가지며, LHC에서 공진형 $gg \to h_2 \to h_1h_1$ 생성이 가능해진다.
• $\chi^\pm_a \gtrsim 10$인 경우, $M_a$가 125 GeV에 가까워도 $h_a$의 두 광자 너비는 표준모형 예측과 크게 다를 수 있다.