[논문 리뷰] Yukawa textures or dark doublets from Two Higgs Doublet Models with $Z_3$ symmetry

Alfredo Aranda, J. Hernández-Sánchez외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $Z_3$ 대칭을 가진 두 개의 힉스 두중항 모형(2HDM)을 탐구하며, 페르미온에 비어 있지 않은 $Z_3$ 전하를 할당하여 표준 $Z_2$ 대칭으로는 달성할 수 없는 새로운 양자수 텍스처를 쿼크 부문에서 가능하게 한다. 또한 $Z_3$ 대칭 하에 두 개의 관성 두중항을 가진 어둠의 두 개의 힉스 두중항 모형(D2HDM)을 도입하여, $Z_2$ 기반의 관성 모형과 비교해 더 풍부한 어둠의 부문과 독특한 현상학을 제공한다.

ABSTRACT

The effect of $Z_3$ symmetry on the general Two Higgs Doublet Model is explored. Of particular interest is the question of what can a $Z_3$ symmetry do beyond the usual case with $Z_2$. There are two independent scenarios that give some interesting results: first, by giving non-trivial charges to the Standard Model fermions, it is possible to use the $Z_3$ symmetry of the scalar potential to generate potentially useful Yukawa textures. This is not possible with $Z_2$. A series of possibilities is presented where their viability is addressed and a specific example in the quark sector is given for concreteness. The second venue of interest is in the area of inert doublets. It is shown that by considering the Standard Model plus two additional inert doublet scalars, i.e. a Dark Two Higgs Doublet Model, together with $Z_3$, a scenario can be obtained that differs from the $Z_2$ case. Some general comments are presented on the potentially interesting phenomenology of such model.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 힉스 두중항 모형(2HDM)에서 $Z_3$ 대칭의 영향을 조사하는 것, 특히 표준 $Z_2$ 대칭 사례를 초월하여.
• $Z_3$ 대칭이 쿼크 부문에서 실현 가능한 양자수 텍스처를 생성할 수 있는지, 특히 카비보-코바야시-마스카와(CKM) 행렬을 재현할 수 있는지 탐색하는 것.
• $Z_3$ 대칭을 가진 관성 두중항 모형이 어둠의 물질 후보로서 타당한지 분석하고, 전통적인 $Z_2$ 기반 관성 모형과 대조하는 것.
• 특히 어둠의 부문의 스펙트럼과 붕괴 체인에서 나타나는 새로운 현상학적 서명을 규명하는 것, $Z_3$ 대칭을 가진 어둠의 2HDM에서 유래된 것.

제안 방법

• 2HDM의 스칼라 포텐셜에 $Z_3$ 대칭을 도입하며, 각 필드에 대해 $n_f \in \{0,1,2\}$의 전하를 할당하고, $\omega = \exp(2\pi i/3)$를 사용하여 포텐셜 항을 제약한다.
• 모든 항의 $Z_3$ 전하를 계산하여 스칼라 포텐셜을 $Z_3$ 대칭 하에 분석한다. 관계식 $[\mu_{ij}] = n_{h_j} - n_{h_i} \mod 3$ 및 비슷한 식을 사용하여 2차항과 4차항의 전하를 계산한다.
• 표준 모형 페르미온에 비어 있지 않은 $Z_3$ 전하를 할당하여 특정 양자수 텍스처를 생성하며, 특히 하나의 두중항이 제2 및 제3 쿼크 가족에만 결합하는 경우에 집중한다.
• 표준 모형과 유사한 힉스 두중항( $Z_3$ 에 대해 중성)과 비등가의 $Z_3$ 전하를 가진 두 개의 관성 두중항($n_{h_2} \neq n_{h_3}$)을 포함하는 어둠의 2HDM을 구성한다. 이는 $Z_3$ 대칭을 유지한다.
• D2HDM의 불변 포텐셜을 유도하며, $n_{h_2} \neq n_{h_3}$일 때만 존재하는 항들, 예를 들어 $\mu_{23}^2 H_2^\dagger H_3$ 및 $\lambda_{123}(H_1^\dagger H_1)(H_2^\dagger H_3)$가 $Z_3$ 대칭 하에서 유지됨을 보여준다. 이는 $Z_2$ 모형과의 차이를 나타낸다.
• 결과로 유도된 어둠의 부문 스펙트럼을 분석한다: 두 개의 전하를 지닌 스칼라, 두 개의 편포스칼라, 두 개의 CP-양성 스칼라로 구성되며, $Z_2$ 기반의 관성 모형에서는 존재하지 않는 캐스케이드 붕괴 및 복사 붕괴 과정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $Z_3$ 대칭이 $Z_2$ 대칭과 달리 쿼크 부문에서 실현 가능한 양자수 텍스처를 생성할 수 있는가, 특히 CKM 행렬을 재현할 수 있는가?
• RQ2 두 개의 관성 두중항이 서로 다른 $Z_3$ 전하를 가진 $Z_3$ 대칭을 가진 어둠의 2HDM의 현상학적 결과는 무엇인가, 특히 어둠의 부문의 스펙트럼과 붕괴 체인에서 나타나는가?
• RQ3 어둠의 부문의 구조와 붕괴 채널 측면에서 $Z_3$ 대칭 D2HDM은 표준 $Z_2$ 대칭 관성 모형과 어떻게 다를까?
• RQ4 $Z_3$ 대칭이 다중 관성 두중항 시나리오에서 어둠의 물질 후보를 안정화시킬 수 있는가, 그리고 그러한 안정성을 위한 조건은 무엇인가?
• RQ5 $Z_3$ 대칭 D2HDM에서 $Z_2$ 기반 모형에 없는 새로운 스칼라 상호작용과 붕괴 체인이 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 비어 있지 않은 페르미온 전하를 가진 $Z_3$ 대칭 2HDM은 제2 및 제3 쿼크 가족에만 결합하는 하나의 힉스 두중항이 존재하는 경우, CKM 행렬을 재현하는 양자수 텍스처를 생성할 수 있다.
• $Z_2$ 대비 $Z_3$ 대칭은 양자수 부문에서 더 풍부한 구조를 가능하게 하며, $Z_3$ 전하를 가진 페르미온이 없을 경우 $Z_2$로는 실현할 수 없는 텍스처 패턴을 가능하게 한다.
• 관성 모형의 맥락에서, 두 개의 관성 두중항이 서로 다른 $Z_3$ 전하($n_{h_2} \neq n_{h_3}$)를 가진 어둠의 2HDM은 $\mu_{23}^2 H_2^\dagger H_3$와 같은 항을 포함하는 $Z_3$ 대칭 불변 포텐셜을 형성하며, 이는 $Z_2$ 대칭 하에서는 금지된다.
• 결과로 유도된 D2HDM은 두 개의 전하 스칼라, 두 개의 편포스칼라, 두 개의 CP-양성 스칼라로 구성된 복잡한 어둠의 부문을 지니며, $Z_2$ 기반의 관성 모형에서는 존재하지 않는 캐스케이드 붕괴 및 복사 붕괴 과정을 가능하게 한다.
• $Z_3$ 대칭 D2HDM는 가장 가벼운 관성 상태의 $Z_3$ 전하 덕분에 안정된 어둠의 물질 후보를 지지하며, 질량 스펙트럼과 붕괴 위상도 측면에서 $Z_2$ 경우와 현저히 다릅니다.
• 이 모형은 $Z_2$ 기반 모형에 존재하지 않는 더 풍부한 어둠의 부문 상호작용과 붕괴 체인을 예측하며, 예를 들어 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$와 같은 새로운 실험적 서명을 제공한다.