[논문 리뷰] Type-I 2HDM under the Higgs and Electroweak Precision Measurements

Ning Chen, Tao Han외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 64인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 향후 Z-팩토리와 하이즈 팩토리에서의 정밀 측정을 이용하여 전체 매개변수 공간에서 나무 수준 및 1-루프 기여를 포함한 타입-I 이중 힉스 보송 모형(2HDM)을 조사한다. 연구 결과, 하이즈 및 전자약력 정밀 측정이 모형을 엄격히 제약함을 밝혀내었으며, 특히 작은 및 큰 tan β 영역에서 |cos(β−α)| < 0.05, |ΔmΦ| < 200 GeV, tan β ≳ 0.3를 얻었고, CEPC, FCC-ee, ILC의 보완적 제약를 통해 질량 분리 및 결합 상수를 제약함을 확인하였다.

ABSTRACT

We explore the extent to which future precision measurements of the Standard Model (SM) observables at the proposed $Z$-factories and Higgs factories may have impacts on new physics beyond the Standard Model, as illustrated by studying the Type-I Two-Higgs-doublet model (Type-I 2HDM). We include the contributions from the heavy Higgs bosons at the tree-level and at the one-loop level in a full model-parameter space. While only small $ anβ$ region is strongly constrained at tree level, the large $ anβ$ region gets constrained at loop level due to $ anβ$ enhanced tri-Higgs couplings. We perform a multiple variable global fit with non-alignment and non-degenerate masses. We find that the allowed parameter ranges could be tightly constrained by the future Higgs precision measurements, especially for small and large values of $ anβ$. Indirect limits on the masses of heavy Higgs bosons can be obtained, which can be complementary to the direct searches of the heavy Higgs bosons at hadron colliders. We also find that the expected accuracies at the $Z$-pole and at a Higgs factory are quite complementary in constraining mass splittings of heavy Higgs bosons. The typical results are $|\cos(β-α)| &lt; 0.05, |Δm_Φ| &lt; 200\ { m GeV}$, and $ anβ\gtrsim 0.3$. The reaches from CEPC, FCCee and ILC are also compared, for both Higgs and $Z$-pole precision measurements. Comparing to the Type-II 2HDM, the 95\% C.L. allowed range of $\cos(β-α)$ is larger, especially for large values of $ anβ$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 타입-I 2HDM에 대한 향후 Z-팩토리 및 하이즈 팩토리 측정의 민감도를 평가하기 위해.
• 특히 tan β에 의해 증폭되는 삼하이즈 쿠퍼링이 포함된 나무 수준 및 1-루프 기여의 영향을 모형 제약에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• CEPC, FCC-ee, ILC 간의 서로 다른 렙톤 충돌기의 제약 능력을 비교하기 위해 하이즈 및 Z-폴 관측량에 대한 제약 능력을 평가하기 위해.
• 강입자 충돌기에서의 직접 탐색을 보완하는 중량 하이즈 보손 질량에 대한 간접적 제약를 유도하기 위해.
• 질량 분리 및 정렬 매개변수 제약에 있어 Z-폴 및 하이즈 팩토리 측정 간의 보완성을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 나무 수준 및 1-루프 기여를 포함한 하이즈 및 전자약력 정밀 관측량에 대한 다변수 χ² 피팅을 수행하였다.
• H±, H, A, h의 전부 1-루프 기여를 포함하여 하이즈 결합(κb, κZ) 및 Z 보손 결합의 계산을 수행하였다.
• 타입-I 2HDM 프레임워크 내에서 루프 적분을 계산하기 위해 Passarino-Veltman 텐서 함수(B0, C0, C12)를 사용하였다.
• 세 가지 경우에 대해 모형을 분석: 정렬 상태이면서 중량 하이즈 질량이 일치하는 경우, 정렬 상태이면서 중량 하이즈 질량이 일치하지 않는 경우, 비정렬 상태이면서 중량 하이즈 질량이 일치하는 경우.
• 예상 민감도를 CEPC, FCC-ee, ILC 간에 비교하였으며, 투과율 및 측정 정밀도의 예측치를 기반으로 하였다.
• 단위성, 정규성, 안정한 전자약력 진공의 요구 조건을 포함한 이론적 제약 조건을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 Z-팩토리 및 하이즈 팩토리 측정은 작은 및 큰 tan β 영역에서 타입-I 2HDM 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ2 CEPC, FCC-ee, ILC는 질량 분리(|ΔmΦ|) 및 정렬 매개변수(cos(β−α))에 대해 상대적으로 어떤 민감도를 보이는가?
• RQ3 루프 기여, 특히 tan β에 의해 증폭되는 삼하이즈 쿠퍼링은 큰 tan β 영역에서 제약 강화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 Z-폴 및 하이즈 정밀 측정은 중량 하이즈 질량 및 결합 상수 제약에 어떻게 상호 보완적인가?
• RQ5 큰 tan β 영역에서 타입-II 2HDM과 비교해 타입-I 2HDM은 95% 신뢰수준에서 cos(β−α)의 허용 범위가 어떻게 다른가?

주요 결과

• 향후 정밀 측정에 의해 타입-I 2HDM의 허용 매개변수 공간은 엄격히 제약되며, 95% 신뢰수준에서 |cos(β−α)| < 0.05 및 tan β ≳ 0.3를 확보한다.
• 큰 tan β 영역에서는 나무 수준 제약가 약한데도 불구하고, tan β에 의해 증폭되는 삼하이즈 쿠퍼링 덕분에 1-루프 수준에서 상당히 강력하게 제약된다.
• 중량 하이즈 상태 간 질량 분리는 |ΔmΦ| < 200 GeV 이내로 제약되며, 특히 정렬 한계에서 벗어나 있을 경우 더욱 뚜렷하다.
• Z-폴 및 하이즈 팩토리 측정은 상호 보완적이다: Z-폴 데이터는 질량 분리를 더 잘 제약하고, 하이즈 정밀 측정 데이터는 cos(β−α) 및 tan β를 더 잘 제약한다.
• FCC-ee는 Z-폴 정밀 측정에서 略적으로 더 넓은 탐색 능력을 보이며, ILC는 중심질량 에너지를 변화시킬 수 있어 하이즈 정밀 피팅에서 略적으로 더 높은 민감도를 보인다.
• 타입-II 2HDM과 비교해 타입-I 2HDM은 특히 큰 tan β 영역에서 더 넓은 95% C.L. 범위의 cos(β−α)를 허용하며, 이는 페르미온 결합 구조의 차이 때문이 다.