[論文レビュー] Yukawa textures or dark doublets from Two Higgs Doublet Models with $Z_3$ symmetry

Alfredo Aranda, J. Hernández-Sánchez+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$Z_3$ 対称性を有する二重ヒッグス・ダブルレット・モデル（2HDM）を検討し、フェルミオンに非自明な $Z_3$ 電荷を割り当てることで、標準的な $Z_2$ 対称性では達成できない、クォーク系における新しいヤクバイ・テクスチャーを可能にすることを示している。さらに、$Z_3$ 下で二つの不活性ダブルレットを有するダーク・ツー・ヒッグス・ダブルレット・モデル（D2HDM）を導入し、$Z_2$ ベースの不活性モデルと比較して、より豊かなダークセクターと特徴的な物性的性質を持つことを明らかにした。

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.

研究の動機と目的

• 2HDM における $Z_3$ 対称性の影響を、標準的な $Z_2$ 対称性とは異なる場合に特に調査すること。
• $Z_3$ 対称性が、特にカビブロ＝コバヤシ＝マスカワ（CKM）行列を再現できるクォーク系における実現可能なヤクバイ・テクスチャーを生成できるかを検討すること。
• $Z_3$ 対称性を有する不活性ダブルレット・モデルが、ダークマター候補として実現可能かどうかを検討し、従来の $Z_2$ ベースの不活性モデルと対比すること。
• $Z_3$ 対称性を有するダーク 2HDM から生じる新しい物性的シグネチャー、特にダークセクターのスペクトルと崩壊チェーンに注目すること。

提案手法

• 2HDM のスカラーポテンシャルに $Z_3$ 対称性を課し、各場に $n_f \in \{0,1,2\}$ の $Z_3$ 電荷を割り当て、$\omega = \exp(2\pi i/3)$ を用いてポテンシャル項を制約する。
• 関係式 $[\mu_{ij}] = n_{h_j} - n_{h_i} \mod 3$ および四次結合項についても同様の関係を用いて、$Z_3$ 下でのポテンシャルの構造を解析する。
• 標準模型フェルミオンに非自明な $Z_3$ 電荷を割り当てることで、特に第2および第3クォーク世代にのみ結合するダブルレットが存在する状況を焦点に、特定のヤクバイ・テクスチャー構造を生成する。
• $Z_3$ に対して中性な1つの標準模型に類似たヒッグス・ダブルレットと、非デゲネレートな $Z_3$ 電荷 $n_{h_2} \neq n_{h_3}$ を有する2つの不活性ダブルレットを含むダーク 2HDM を構築し、$Z_3$ 不変性を保証する。
• D2HDM の不変ポテンシャルを導出し、$n_{h_2} \neq n_{h_3}$ のときのみ $\mu_{23}^2 H_2^\dagger H_3$ や $\lambda_{123}(H_1^\dagger H_1)(H_2^\dagger H_3)$ のような項が残ることを示し、これは $Z_2$ モデルとは異なり、$Z_3$ モデルに特有の性質である。
• 得られたダークセクターのスペクトルを解析：2つの荷電スカラー、2つの準スカラー、2つのCP不変スカラーが存在し、$Z_2$ ベースの不活性モデルには存在しないキャスケード崩壊や放射性崩壊プロセスが可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z_3$ 対称性が、$Z_2$ 対称性とは異なり、CKM行列を再現できるクォーク系における実現可能なヤクバイ・テクスチャーを生成できるか？
• RQ2 $Z_3$ 対称性を有するダーク 2HDM の物性的結果は何か、特に2つの不活性ダブルレットが異なる $Z_3$ 電荷を持つ場合に注目する。
• RQ3 $Z_3$ 対称性を有する D2HDM は、標準的な $Z_2$ 対称性を有する不活性モデルと比較して、ダークセクターの構造と崩壊チャネルにおいてどのように異なるか？
• RQ4 $Z_3$ 対称性が、複数の不活性ダブルレットを有する状況でダークマター候補を安定化できるか。その安定化条件は何か？
• RQ5 $Z_3$ 対称性を有する D2HDM では、$Z_2$ ベースのモデルに存在しない新しいスカラー相互作用や崩壊チェーンがどのように生じるか？

主な発見

• 非自明なフェルミオン電荷を有する $Z_3$ 対称性 2HDM は、特に1つのヒッグス・ダブルレットが第2および第3クォーク世代にのみ結合する場合に、CKM行列を再現するヤクバイ・テクスチャーを生成可能である。
• $Z_3$ 対称性は、$Z_2$ よりもヤクバイ系に豊かな構造を可能にし、$Z_3$ 電荷を有するフェルミオンが存在しないため、$Z_2$ では実現できないテクスチャー・パターンを可能にする。
• 不活性モデルの文脈において、2つの不活性ダブルレットが異なる $Z_3$ 電荷 $n_{h_2} \neq n_{h_3}$ を持つ場合、$\mu_{23}^2 H_2^\dagger H_3$ のような項が $Z_3$ 不変ポテンシャルに含まれるが、これは $Z_2$ 対称性では禁止されている。
• 得られた D2HDM は、2つの荷電スカラー、2つの準スカラー、2つのCP不変スカラーを有する複雑なダークセクターを持ち、$Z_2$ 不活性モデルには存在しないキャスケード崩壊や放射性崩壊プロセスを可能にする。
• $Z_3$ 対称性 D2HDM は、最も軽い不活性状態の $Z_3$ 電荷のおかげで安定なダークマター候補を支持し、質量スペクトルと崩壊トポロジーにおいて $Z_2$ の場合と顕著に異なる物性的性質を示す。
• このモデルは、$Z_2$ 不活性モデルでは不可能な、$\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ のような新しいダークセクターの相互作用や崩壊チェーンを予測し、実験的シグネチャーを新たに提供する。