[论文解读] A Tale of Two Twin Higgses: Addressing Little Hierarchy in Natural 2HDM Framework

Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出一种自然的两希格斯双重模型（2HDM），通过双希格斯机制实现真空错位，以解决小层次问题。该模型通过自发的Z₂对称性破缺实现，避免了显式的Z₂对称性破缺项。系统地分类了四种机制——辐射修正、 tadpole 引发、四次项引发和显式Z₂破缺，表明通过双希格斯实现自发破缺可降低微调程度，并稳定电弱能标，同时保持自然性。

ABSTRACT

In original twin Higgs model, vacuum misalignment between electroweak and new physics scales is realized by adding explicit $\mathbb{Z}_2$ breaking term. Introducing additional twin Higgs could accommodate spontaneous $\mathbb{Z}_2$ breaking, which explains the origin of this misalignment. We introduce a class of two twin Higgs doublet models with most general scalar potential, and discuss general conditions which trigger electroweak and $\mathbb{Z}_2$ symmetry breaking. Various scenarios on realising the vacuum misalignment are systematically discussed in a natural two Higgs double model framework: explicit $\mathbb{Z}_2$ breaking, radiative $\mathbb{Z}_2$ breaking, tadpole-induced $\mathbb{Z}_2$ breaking, and quartic-induced $\mathbb{Z}_2$ breaking. We investigate the Higgs mass spectra and the Higgs phenomenology in these scenarios.

研究动机与目标

• 通过消除对显式Z₂破缺项的需求，解决孪生希格斯模型中的小层次问题。
• 探讨如何通过自发Z₂破缺自然地实现电弱能标与新物理能标之间的真空错位（v ≪ f）。
• 对触发Z₂对称性和电弱对称性破缺的四种不同机制进行分类与分析：辐射修正、tadpole引发、四次项引发和显式Z₂破缺。
• 在具有两个孪生希格斯双重态的自然2HDM框架下，研究希格斯质量谱与现象学特征。
• 推导完整的标量质量矩阵结构，并在质量本征态基中识别标准模型类希格斯玻色子。

提出的方法

• 构建包含双线性、三线性和四次项的最一般标量势的双孪生希格斯双重态模型。
• 以两个希格斯双重态的真空期望值（vevs）f₁ 和 f₂，以及混合角 θ₁ 和 θ₂ 表达标量势。
• 在标准模型与孪生 sector 之间应用Z₂对称性，通过双线性或三线性耦合实现自发破缺。
• 使用旋转形式化方法对带电荷和CP奇性中性标量质量矩阵进行对角化，识别戈戈斯玻色子与物理态。
• 在 Re(h₁⁰), Re(h₂⁰) 基下推导CP偶性希格斯扇区的2×2质量矩阵，给出 m_h₁h₁², m_h₂h₂² 和 m_h₁h₂² 的显式表达式。
• 对质量本征态（h, H）应用旋转，其中混合角 α 由 tan(2α) = 2m_h₁h₂² / (m_h₁h₁² - m_h₂h₂²) 定义，识别 h 为标准模型类希格斯玻色子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在孪生希格斯模型中，如何在不引入显式Z₂破缺项的情况下实现真空错位（v ≪ f）？
• RQ2 在双孪生希格斯2HDM中，触发自发Z₂破缺的四种不同机制——辐射修正、tadpole引发、四次项引发和显式Z₂破缺——分别是什么？
• RQ3 希格斯质量谱与混合角如何依赖于标量势的参数，包括 f₁, f₂, θ₁, θ₂ 和 m₁₂²？
• RQ4 双线性耦合（m₁₂²）与四次耦合（λ₄₅, δ₄₅）在生成希格斯态的质量劈裂与混合中起什么作用？
• RQ5 能否在质量本征态基中一致地识别标准模型类希格斯玻色子？其耦合与质量受到哪些约束？

主要发现

• 通过双孪生希格斯实现的自发Z₂破缺消除了对显式Z₂破缺项的需求，将微调程度降低至约 2v²/f²。
• 该模型通过多种机制实现真空错位：辐射修正、tadpole引发、四次项引发和显式Z₂破缺，每种机制具有不同的参数依赖性。
• 当Z₂对称性未被破缺时，带电荷和CP奇性中性标量扇区包含精确的戈戈斯玻色子（C±, z⁰），物理态 H±, A₁⁰, A₂⁰ 由混合产生。
• CP偶性希格斯质量矩阵以 f₁, f₂, θ₁, θ₂, m₁₂² 以及耦合 δ₁, δ₂, δ₃₄₅, λ₄₅ 表达，物理质量 m_h, m_H 通过对角化获得。
• 在对角化后，标准模型类希格斯玻色子 h 被识别为最轻的CP偶性态，其质量与耦合由混合角 α 决定，定义为 tan(2α) = 2m_h₁h₂² / (m_h₁h₁² - m_h₂h₂²)。
• 该模型预测一个重希格斯扇区，其质量对混合角与软破缺项敏感，为大型强子对撞机及未来对撞机的物理解释提供了可观测性。