[论文解读] 2HDM at the LHC - the story so far

A. Barroso, P. M. Ferreira+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 29

一句话总结

本文利用LHC数据评估了最常见的CP守恒与CP破坏型双 Higgs 二重态模型（2HDM），聚焦于LHC发现的125 GeV Higgs玻色子。研究发现，尽管在类型II 2HDM中，标准模型（SM）类行为现在与ATLAS和CMS数据一致，但在CP破坏情景下，CP偶态与CP奇态之间的显著混合仍被允许，当前数据已施加强烈约束，未来运行预计将显著收紧这些限制。

ABSTRACT

We confront the most common version of the CP-conserving 2HDM with LHC data, taking into account all previously available experimental data. We also discuss the scenario where the 125 GeV Higgs discovered at the LHC is the lightest neutral scalar of a particular CP-violating 2HDM. In this scenario we focus on what data can already tell us about the amount of mixing between CP-even and CP-odd states.

研究动机与目标

• 基于LHC数据（包括精确电弱、味物理和Higgs sector约束）评估最常见CP守恒2HDM（类型I、II、Y、X）的可行性。
• 研究CP破坏型2HDM情景，其中125 GeV Higgs为CP偶态/CP奇态的混合态，重点关注混合程度。
• 利用2013年莫里翁德会议前后的LHC数据，特别是ATLAS与CMS联合结果，更新2HDM参数空间的约束。
• 在真空稳定性、幺正性及实验约束下，识别仍可行的参数空间区域。
• 预测未来LHC对CP破坏型2HDM中125 GeV Higgs玻色子的CP奇态分量的探测灵敏度。

提出的方法

• 研究采用具有软$Z_2$破坏的7参数CP守恒2HDM，以$m_{12}^2$、$\tan\beta$、$\alpha$及质量为自由参数，结合真空稳定性、幺正性及精确电弱测量的约束。
• 对于CP破坏模型，分析采用复数$m_{12}^2$和$\lambda_5$，通过三个旋转角$\alpha_1$、$\alpha_2$、$\alpha_3$定义CP偶态与CP奇态之间的混合，其中$s_2 = \sin\alpha_2$为关键混合参数。
• 在理论与实验约束下扫描参数空间，包括LEP限制、$b \to s\gamma$极限、顶夸克衰变及ATLAS与CMS的Higgs信号强度测量。
• 以信号强度$R_{\gamma\gamma}$和$R_{ZZ}$作为关键可观测量，将模型预测与数据对比，并绘制1$\sigma$与2$\sigma$兼容区域。
• 分析包含2013年莫里翁德会议的最新结果，整合最新ATLAS与CMS联合数据，以精炼允许的参数区域。
• 在$(\sin\alpha, \tan\beta)$与$(\cos(\beta-\alpha), \tan\beta)$平面绘制允许区域图，并与SM预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 CP守恒2HDM（类型I、II、Y、X）在多大程度上能容纳ATLAS与CMS的125 GeV Higgs信号强度数据？
• RQ2 包含2013年莫里翁德会议前后的数据如何影响2HDM参数空间的可行性，特别是在类型II模型中？
• RQ3 当前LHC数据对CP破坏型2HDM中CP偶态与CP奇态分量混合程度（以$s_2 = \sin\alpha_2$量化）施加了何种约束？
• RQ4 在CP破坏型2HDM中，125 GeV Higgs玻色子能否被识别为纯CP偶态或纯CP奇态？哪些$s_2$范围仍被允许？
• RQ5 未来LHC数据将如何缩小CP破坏型2HDM中125 GeV Higgs玻色子CP奇态分量的允许参数空间？

主要发现

• 在CP守恒2HDM中，类型II模型在2013年莫里翁德会议更新后，其参数点在ATLAS与CMS数据的1$\sigma$范围内均与标准模型信号强度一致。
• 对于类型I 2HDM，仅CMS数据现在即可允许1$\sigma$范围内的SM点，表明与观测到的Higgs信号兼容性有所改善。
• 在CP破坏型2HDM中，ATLAS数据在2$\sigma$水平上排除了$|s_2| > 0.83$（高CP奇态混合）区域，但更新后的CMS数据仍允许该区域，表明两实验之间存在张力。
• 当$|s_2| < 0.1$（近乎纯CP偶态）时，数据一致；中间混合区域（$0.45 < |s_2| < 0.55$）也允许，表明存在广泛可行的混合范围。
• 大$s_2$值的2$\sigma$排除区域正随数据改善而缩小，未来LHC运行预计将显著收紧对125 GeV Higgs玻色子CP奇态分量的约束。
• 本研究确认125 GeV Higgs不能是纯赝标量态，其在CP破坏型2HDM中的组成被限制为以CP偶态为主、并含有不可忽略的CP奇态混杂。