[논문 리뷰] Off-diagonal terms in Yukawa textures of the Type-III 2-Higgs doublet model and light charged Higgs boson phenomenology

J. Hernández-Sánchez, Stefano Moretti외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 31.

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한 줄 요약

이 논문은 네 제로 요쿠다 텍스처를 가진 타입-III 2-히그스 듀블릿 모델(2HDM-III)을 조사하여, 비대칭 항목이 가벼운 이중 레프톤 히그스 보손($H^\to$)을 허용하며, 주로 $H^\to c\bar{b}$ 붕괴 모드를 차지함을 보여준다. 엄격한 $B$-물리 제약 조건에도 불구하고, 모델은 큰 $H^\to c\bar{b}$ 결합을 허용하여, 특히 14 TeV에서 $c\bar{b} \to H^\to \to \tau^+\nu$ 및 $t \to bH^\to$ 생성을 통한 LHC에서의 발견 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

We discuss flavor-violating constraints and consequently possible charged Higgs boson phenomenology emerging from a four-zero Yukawa texture embedded within the Type-III 2-Higgs Doublet Model (2HDM-III). Firstly, we show in detail how we can obtain several kinds of 2HDMs when some parameters in the Yukawa texture are absent. Secondly, we present a comprehensive study of the main B-physics constraints on such parameters induced by flavor-changing processes, in particular on the off-diagonal terms of such a texture: i.e., from $μ-e$ universality in $τ$ decays, several leptonic B-decays ($B o τν$, $D o μν$ and $D_s o {l} ν$), the semi-leptonic transition $B o D τν$, plus $B o X_s γ$, including $B^0-\bar B^0$ mixing, $B_s o μ^+ μ^-$ and the radiative decay $Z o b \bar{b}$. Thirdly, having selected the surviving 2HDM-III parameter space, we show that the $H^- c \bar{b}$ coupling can be very large over sizable expanses of it, in fact, a very different situation with respect to 2HDMs with a flavor discrete symmetry (i.e., ${\mathcal{Z}}_2$) and very similar to the case of the Aligned-2HDM (A2HDM) as well as of models with three or more Higgs doublets. Fourthly, we study in detail the ensuing $H^\pm$ phenomenology at the Large Hadron Collider (LHC), chiefly the $c\bar b o H^+$ production mode and the $H^+ o c\bar b$ decay channel while assuming $τ^+ν_τ$ decays in the former and $t o bH^+$ production in the latter, showing that significant scope exists in both cases.

연구 동기 및 목표

• 네 제로 텍스처를 가진 타입-III 2HDM에서 비대칭 요쿠다 항목의 맛 위반 제약 조건을 분석하는 것.
• 2HDM-III 모델의 타당한 매개변수 영역을 $B$-물리 관측량에서 제약 조건을 적용한 후 도출하는 것.
• 남아 있는 매개변수 영역에서 가벼운 이중 레프톤 히그스 보손($H^\to$)의 현상학적 성질을 탐색하는 것.
• LHC에서 $c\bar{b}$ 융합 및 토프 쿼크 붕괴 모드를 통한 $H^\to$의 발견 가능성을 평가하는 것.
• 2HDM-III에서의 $H^\to c\bar{b}$ 결합 강도가 다른 2HDM 변종 및 다중 히그스 모델과 어떻게 비교되는지 분석하는 것.

제안 방법

• 네 제로 텍스처를 가진 타입-III 2HDM에서 요쿠다 라그랑지안의 일반 형태를 유도하며, 맛의 구조를 모델링하기 위해 $g_{ij} \propto \sqrt{m_i m_j} \chi_{ij}$ 조건을 적용한다.
• $B$-물리 제약 조건을 적용: $\mu$-$e$ 대칭성($\tau$ 붕괴에서), $B \to \tau\nu$, $D \to \mu\nu$, $D_s \to l\nu$, $B \to D\tau\nu$, $B \to X_s\gamma$, $B^0$-$\bar{B}^0$ 혼합, $B_s \to \mu^+\mu^-$, $Z \to b\bar{b}$.
• 실험 데이터에 대한 모델 매개변수의 전반적 피팅을 수행하여 타당한 매개변수 영역을 식별한다.
• 남아 있는 매개변수 영역에서 $H^\to c\bar{b}$ 결합 강도를 평가하여, 붕괴 분포율이 최대 90%까지 도달할 수 있음을 확인한다.
• $LHC$에서 $c\bar{b} \to H^\to \to \tau^+\nu$ 및 $t \to bH^\to \to c\bar{b}$ 생성을 시뮬레이션하고, 루미노시티 함수에 따라 신호의 유의도를 계산한다.
• $\sqrt{s} = 8$ 및 $14$ TeV에서의 발견 가능성을 평가하기 위해, $\tau$-레프톤 식별 효율성을 포함한 유의도 $S/\sqrt{B}$를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네 제로 텍스처에서 비대칭 요쿠다 항목이 타입-III 2HDM의 맛 변화 과정에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 2HDM-III에서 네 제로 요쿠다 텍스처를 가진 모델의 매개변수 영역을 가장 강하게 제약하는 $B$-물리 관측량은 무엇인가?
• RQ3 2HDM-III에서 가벼운 이중 레프톤 히그스 보손이 모든 $B$-물리 제약 조건을 충족하면서도 주로 $H^\to c\bar{b}$ 붕괴 모드를 차지할 수 있는가?
• RQ4 $c\bar{b}$ 융합 및 토프 쿼크 붕괴를 통한 LHC에서의 $H^\to$ 발견 가능성이 어떻게 되며, 어느 루미노시티에서 발견이 가능할 수 있는가?
• RQ5 2HDM-III에서의 $H^\to c\bar{b}$ 결합 강도는 ${\mathcal{Z}}_2$ 대칭 2HDM, 정렬된 또는 다중 히그스 모델과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 네 제로 요쿠다 텍스처를 가진 2HDM-III는 $H^\to c\bar{b}$ 붕괴 분포율이 최대 90%까지 도달할 수 있는 가벼운 이중 레프톤 히그스 보손을 허용하며, ${\mathcal{Z}}_2$ 대칭 모델보다 현저히 높다.
• 엄격한 $B$-물리 제약 조건, 특히 $B \to X_s\gamma$, $B^0$-$\bar{B}^0$ 혼합, $B_s \to \mu^+\mu^-$ 조건에도 불구하고, 여전히 큰 매개변수 영역이 타당하다.
• $H^\to c\bar{b}$ 결합은 알리언드-2HDM 및 세 개 이상의 히그스 듀블릿을 가진 모델과 유사하여 강한 생성 및 붕괴 신호를 가능하게 한다.
• $H^\to$ 질량이 80, 120, 160 GeV일 경우, $c\bar{b} \to H^\to \to \tau^+\nu$ 신호는 8 TeV 및 14 TeV LHC 운행에서 각각 2, 3, 5의 유의도를 확보한다.
• $H^\to$의 $c\bar{b}$ 융합에 의한 발견은 8 TeV에서 가능하며, $m_{H^\to} \geq 120$ GeV 이고 $b$-태깅이 적용될 경우 14 TeV에서 완전히 커버된다.
• $t \to bH^\to$ 붕괴 모드는 $H^\to$ 붕괴 생성물의 $b$-태깅 덕분에 작은 붕괴 분포율에 대해 향상된 감도를 제공하며, 이 기법을 사용하지 않는 현재의 LHC 탐색을 초월한다.