[論文レビュー] Fitting the Two-Higgs-Doublet model of type II

Otto Eberhardt|arXiv (Cornell University)|May 13, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電弱精度観測量、ヒッグス信号強度、フラーバー物理学の制約、LHCにおける除外限界を用いた、タイプIIの2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM-II）のグローバルフィットを提示する。95%信頼水準（CL）において、アライメント限界が強く支持されており、偽スカラーヒッグスボソンの質量は240 GeVを超えることが制約されている。一方、重いCP偶性ヒッグスは200 GeV未満の質量をとることが可能である。$hhH$結合定数は標準模型（SM）の2.5倍に達する可能性があり、重いヒッグス$H$が共鳴状態を示す場合、14 TeV LHCエネルギーで$gg \to hh$断面積が最大70倍に増幅される可能性がある。

ABSTRACT

We present the current status of the Two-Higgs-Doublet model of type II. Taking into account all available relevant information, we exclude at $95$% CL sizeable deviations of the so-called alignment limit, in which all couplings of the light CP-even Higgs boson $h$ are Standard-Model-like. While we can set a lower limit of $240$ GeV on the mass of the pseudoscalar Higgs boson at $95$% CL, the mass of the heavy CP-even Higgs boson $H$ can be even lighter than $200$ GeV. The strong constraints on the model parameters also set limits on the triple Higgs couplings: the $hhh$ coupling in the Two-Higgs-Doublet model of type II cannot be larger than in the Standard Model, while the $hhH$ coupling can maximally be $2.5$ times the size of the Standard Model $hhh$ coupling, assuming an $H$ mass below $1$ TeV. The selection of benchmark scenarios which maximize specific effects within the allowed regions for further collider studies is illustrated for the $H$ branching fraction to fermions and gauge bosons. As an example, we calculate the cross section of $gg o hh$ for four benchmark points and show that a resonant $H$ could enhance it by almost a factor of $70$ at a centre-of-mass energy of $14$ TeV.

研究の動機と目的

• 電弱精度観測量、ヒッグス信号強度、フラーバー物理学の制約、LHCの除外限界を統合したグローバルフィットを用いて、タイプIIの2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM-II）に対する現在の実験的および理論的制約を評価すること。
• すべての関連する制約下で、重いヒッグスボソン$H$、$A$、$H^\pm$の許容されるパラメータ空間を特定すること。
• 標準模型（SM）と比較して、三ヒッグス結合定数$hhh$、$hhH$、その他の結合定数の増幅度を定量すること。
• 将来のコライダー研究のための、非標準的崩壊モードと$gg\to hh$断面積を最大限に高めるベンチマークシナリオを同定すること。
• 最近のLHCによる$H\to hh$および$A\to hZ$の除外限界が、モデルのパラメータ空間に与える影響を評価すること。

提案手法

• CKMfitterパッケージを用いた2HDM-IIパラメータのグローバルフィット。電弱精度観測量、$BR(B\to X_s\gamma)$、$B_s$質量差、LHCヒッグス探索結果を組み込む。
• 除外限界$gg\to H\to hh$および$gg\to A\to hZ$を実験的入力として組み込むが、主な結果に大きな影響を与えない。
• 理論的制約の適用：$S$行列のユニタリティによる摂動的安定性と、246 GeVにおけるスカラー自己エネルギーの最小値による真空安定性。
• 物理的パラメータの使用：$m_h$、$m_H$、$m_A$、$m_{H^+}$、$\tan\beta$、$\beta - \alpha$、$v = 246$ GeV、およびソフト$Z_2$対称性破れパラメータ$m_{12}^2$。
• 2HDM-IIフレームワーク内での三ヒッグス結合定数$g_{hhh}$、$g_{hhH}$、$g_{hHH}$、$g_{HHH}$、$g_{hAA}$、$g_{hH^+H^-}$の計算。
• $2\sigma$制約下で、$H$のブランチ比と三ヒッグス結合定数の偏差を最大にするベンチマークポイント（H-1～H-4）の定義。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱精度観測量、フラーバー物理学、LHCデータから、2HDM-IIのパラメータ空間に現在どのような制約が加わっているか。
• RQ2 $hhH$結合定数は標準模型の値をどの程度超えることができるか。また、ヒッグス対生成に与える影響は何か。
• RQ3 2HDM-IIにおいて$gg\to hh$断面積は著しく増幅される可能性があるか。どのような条件下でそうなるか。
• RQ4 14 TeV LHCで非標準的ヒッグス崩壊を観測するための最も有望なベンチマークシナリオは何か。
• RQ5 最近のLHCによる$H\to hh$および$A\to hZ$の除外限界は、許容パラメータ空間にどのような影響を与えるか。

主な発見

• 95%信頼水準（CL）において、偽スカラーヒッグスボソンの質量$m_A$は240 GeVを超えることが制約されており、アライメント限界からの顕著なずれは認められない。
• 重いCP偶性ヒッグスボソン$H$の質量は200 GeV未満であることが可能であり、その崩壊$H\to AA$は$2\sigma$で除外されている。
• 2HDM-IIにおける$hhh$結合定数は標準模型の値を超えることはできず、$2\sigma$でSM値の50%未満にまで低下する可能性がある。
• $hhH$結合定数は、$m_H \leq 1$ TeVを仮定した場合、標準模型の$hhh$結合定数の2.5倍に達する可能性がある。
• ベンチマークポイントH-1では、共鳴状態の$H$が14 TeV中心系エネルギーで$gg\to hh$断面積をほぼ70倍に増幅することが可能である。
• $m_H$に応じて、$BR(H\to f\bar{f}, VV)$は$2\sigma$で40%未満にまで抑制される可能性があり、$m_A$が$t\bar{t}$閾値のわずか下にある場合、$BR(A\to HZ)$は1%にまで低下する可能性がある。