[論文レビュー] Type-X two Higgs doublet model in light of the muon $\mathbf{g-2}$: confronting Higgs and collider data

Adil Jueid, Jinheung Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 137被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブおよびBNL実験で観測された4.2σの偏差を説明するためのタイプ-X2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を検討している。ヒッグス精度測定、電弱の斜めパラメータ、理論的安定性、直接コライダー探索の制約を組み合わせた。その結果、Δa_μを説明するには大きなtanβ > 100および軽い準スカラーヒッグス粒子MA ≲ 62.5 GeVが必須であるが、これらはLEPおよびLHCの直接探索で除外されている。さらに、τおよびZ崩壊におけるレプトンフラバー則一貫性が破れ、現在のデータと組み合わせると、このモデルは有効な解決策として排除される。

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.

研究の動機と目的

• フェルミラブおよびBNL実験で観測されたミュオンの異常磁気モーメント（Δa_μ）における4.2σのずれをタイプ-X 2HDMが説明できるかを調査すること。
• 真空安定性やユニタリティなどの理論的制約を満たすモデルの妥当性を評価すること。
• ヒッグス精度観測、電弱の斜めパラメータ（S、T）、LEPおよびLHCでの直接探索、τおよびZ崩壊におけるレプトンフラバー則一貫性（LFU）データとモデルを照合すること。
• 高tanβ領域におけるモデルの探査を目的とした、特化したLHC探索チャネルpp → Ah/AH → 4τの提案すること。

提案手法

• 通常（h_{\rm SM} = h）および逆転（h_{\rm SM} = H）の両シナリオにおいて、タイプ-X 2HDMのパラメータ空間をグローバルスキャンした。
• 真空安定性や摂動的有界性などの理論的制約を、M_A^2 ≃ M_{H^\pm}^2 ≃ m_{12}^2 \tan\beta ≈ M_{H/h}^2 という条件により適用した。
• ヒッグス精度観測、電弱の斜めパラメータ（S、T）、および直接探索（LEPおよびLHC）の制約を適用した。
• τおよびZ崩壊からの16点のLFUデータを用いたグローバルχ^2フィットにより、レプトンフラバー則一貫性の検証を行った。
• 将来的な高出力LHC探索におけるゴールデンモードとして、pp → Ah/AH → 4τのチャネルを提案した。
• 電子の異常磁気モーメントに対するモデルの予測を計算し、実験データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-X 2HDMは、理論的および実験的制約を満たしつつ、観測された4.2σのミュオンg-2のずれを説明できるか？
• RQ2 Δa_μを説明するために必要なパラメータ領域（特にtanβおよびMA）は何か？
• RQ3 LEPおよびLHCでの直接探索は、準スカラーヒッグス粒子Aの有効なパラメータ空間をどの程度制約するか？
• RQ4 このモデルは、τおよびZ崩壊におけるレプトンフラバー則一貫性をどの程度保っているか？
• RQ5 HL-LHCにおけるpp → Ah/AH → 4τのチャネルは、モデルの感度検出に有効なプローブとして機能できるか？

主な発見

• タイプ-X 2HDMにおいて、ミュオンg-2の異常を説明するには、大きなtanβ > 100および軽い準スカラーヒッグス粒子質量MA ≲ 62.5 GeVが必要である。
• 理論的安定性の要請により、M_A^2 ≃ M_{H^\pm}^2 ≃ m_{12}^2 \tan\beta ≈ M_{H/h}^2 が課されるが、これは大tanβ領域では達成が困難である。
• LEPおよびLHCでの直接探索により、MA ≲ 62.5 GeVの領域は強く制約されており、モデルの妥当性は著しく制限されている。
• モデルは電子g-2への補正を予測し、現在の実験データと整合している。
• 16点のLFUデータを含むグローバルχ^2フィットにより、観測されたΔa_μ^{{\rm obs}}とLFUデータの組み合わせによって、モデルは除外される。
• pp → Ah/AH → 4τのチャネルは、将来的なHL-LHC探索において、モデルを探査する有望なゴールデンモードであると特定された。