[논문 리뷰] Type-X two Higgs doublet model in light of the muon $\mathbf{g-2}$: confronting Higgs and collider data

Adil Jueid, Jinheung Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 137인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩 및 브룩헤이븐에서 관측된 4.2σ 수준의 뮤온 비례자기모멘트($g-2$)의 편차를 해결하기 위한 타입-X 이중 히iggs 보우 모형(2HDM)을 조사한다. 히iggs 정밀도 데이터, 전자기적 왜곡 매개변수, 이론적 안정성, 직접 콜라이더 검색 결과로부터의 제약 조건을 포함한다. 연구 결과, $\Delta a_\mu$를 설명하기 위해 큰 $\tan\beta > 100$과 가벼운 편성자 $M_A \lesssim 62.5$ GeV가 필요하지만, 이러한 영역은 LEP 및 LHC의 직접 검색 결과에 의해 배제된다. 더불어, $\tau$ 및 $Z$ 붕괴에서의 라플레톤 간의 유니버설리티가 위반되어 현재의 데이터와 결합할 경우 이 모형은 타당한 해결책으로서 배제된다.

ABSTRACT

The recent Fermilab measurement of the muon anomalous magnetic moment yields $4.2 σ$ deviations from the SM prediction when combined with the BNL E821 experiment results. In the Type-X two Higgs doublet model, we study the consequence of imposing the observed muon $g-2$, along with the constraints from theoretical stabilities, electroweak oblique parameters, Higgs precision data, and direct searches. For a comprehensive study, we scan the whole parameter space in two scenarios, the normal scenario where $h_{ m SM} = h$ and the inverted scenario where $h_{ m SM}=H$, where $h$ ($H$) is the light (heavy) CP-even Higgs boson. We found that large $ anβ$ (above 100) and light pseudoscalar mass $M_A$ are required to explain the muon $g-2$ anomaly. This breaks the theoretical stability unless the scalar masses satisfy $M_A^2 \simeq M_{H^\pm}^2 \simeq m_{12}^2 anβ\approx M_{H/h}^2$. The direct search bounds at the LEP and LHC exclude the light $A$ window with $M_A \lesssim 62.5~$GeV. We also show that the observed electron anomalous magnetic moment is consistent with the model prediction, but the lepton flavor universality data in the $τ$ and $Z$ decays are not. For a separate exploration of the model, we propose the golden mode $pp o A h/AH o 4 τ$ at the HL-LHC.

연구 동기 및 목표

• 페르미랩 및 BNL 실험에서 관측된 뮤온 비례자기모멘트($\Delta a_\mu$)의 4.2σ 편차를 설명할 수 있는 타입-X 2HDM가 존재하는지 탐색한다.
• 진공 안정성 및 유니타리성과 같은 이론적 제약 조건을 고려할 때 모형의 타당성을 평가한다.
• 히iggs 정밀도 관측 결과, 전자기적 왜곡 매개변수($S$, $T$), 그리고 LEP 및 LHC에서의 직접 검색 결과, $\tau$ 및 $Z$ 붕괴에서의 라플레톤 간 유니버설리티(LFU) 데이터와의 비교를 수행한다.
• 고-$\tan\beta$ 영역에서 모형을 탐색하기 위한 전용 LHC 검색 채널인 $pp \to Ah/AH \to 4\tau$를 제안한다.

제안 방법

• 정상($h_{\rm SM} = h$) 및 역전($h_{\rm SM} = H$) 상황에서 타입-X 2HDM의 매개변수 공간에 대한 전역 스크린을 수행한다.
• 진공 안정성 및 양자역학적 수렴성 등의 이론적 제약 조건을 $M_A^2 \simeq M_{H^\pm}^2 \simeq m_{12}^2 \tan\beta \approx M_{H/h}^2$ 조건을 통해 적용한다.
• 히iggs 정밀도 관측 결과, 전자기적 왜곡 매개변수($S$, $T$), 그리고 LEP 및 LHC에서의 직접 검색 결과에 대한 제약 조건을 적용한다.
• 라플레톤 간 유니버설리티를 테스트하기 위해 $\tau$ 및 $Z$ 붕괴에서의 16개의 LFU 데이터 포인트를 포함한 전역 $\chi^2$ 피팅을 수행한다.
• 미래의 고광도 LHC 검색을 위한 황금 모드로 $pp \to Ah/AH \to 4\tau$ 채널을 제안한다.
• 전자 비례자기모멘트에 대한 모형의 예측을 계산하고 실험 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입-X 2HDM는 페르미랩 및 BNL 실험에서 관측된 4.2σ 수준의 뮤온 $g-2$ 편차를 설명할 수 있을까? 이때 이론적 제약 조건과 실험적 제약 조건을 모두 만족하는가?
• RQ2 특히 $\tan\beta$ 및 $M_A$ 영역에서 $\Delta a_\mu$를 설명하기 위해 필요한 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ3 LEP 및 LHC에서의 직접 검색 결과는 편성자 $A$의 타당한 매개변수 영역에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 모형은 $\tau$ 및 $Z$ 붕괴에서 라플레톤 간 유니버설리티를 어느 정도 유지하는가?
• RQ5 HL-LHC에서의 $pp \to Ah/AH \to 4\tau$ 채널은 모형을 민감하게 탐색할 수 있는 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 타입-X 2HDM에서 뮤온 $g-2$ 이상현상을 설명하기 위해 큰 $\tan\beta > 100$과 가벼운 편성자 질량 $M_A \lesssim 62.5$ GeV가 필요하다.
• 이론적 안정성을 확보하기 위해 $M_A^2 \simeq M_{H^\pm}^2 \simeq m_{12}^2 \tan\beta \approx M_{H/h}^2$ 조건이 필요하지만, 이는 고-$\tan\beta$ 영역에서 달성하기 어려운 조건이다.
• LEP 및 LHC에서의 직접 검색 결과는 $M_A \lesssim 62.5$ GeV 영역을 심각하게 제약하며, 이는 모형의 타당성을 크게 낮춘다.
• 모형은 전자 $g-2$에 대한 보정 항을 예측하며, 이는 현재의 실험 결과와 일치한다.
• 16개의 LFU 데이터 포인트를 포함한 전역 $\chi^2$ 피팅 결과, $\Delta a_\mu^{{\rm obs}}$와 LFU 데이터의 조합에 의해 모형은 배제됨을 확인하였다.
• $pp \to Ah/AH \to 4\tau$ 채널은 향후 고광도 LHC 검색에서 모형을 탐색하기 위한 유망한 황금 모드로 확인되었다.