[论文解读] Approximate Higgs alignment without decoupling

Howard E. Haber|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出了一种在两希格斯双重模型（2HDM）中实现近似希格斯对齐的机制，无需引入额外的重希格斯玻色子，通过一个被软性破坏的CP²对称性和镜像费米子，使希格斯性质接近标准模型（SM）。关键结果表明，当混合角β−α较小时，即使其他标量粒子不重，也能实现无需解耦的近似对齐，这由一个微小参数ε ≡ 2Δm²/(λ(1−R)v²) 所驱动，从而使得轻希格斯玻色子h具有接近SM的耦合，即使其他标量不重。

ABSTRACT

The properties of the Higgs boson, h(125), observed in LHC data are consistent with Standard Model predictions. Consequently, if additional Higgs bosons are present, then the direction of h(125) in field space must be approximately aligned with the direction of the Higgs vacuum expectation value. One way to achieve approximate Higgs alignment is in the decoupling limit, where all additional Higgs scalars are significantly heavier than the h(125). In this presentation, the viability of approximate Higgs alignment without decoupling is addressed.

研究动机与目标

• 探索两希格斯双重模型（2HDM）中不依赖于解耦极限（即所有额外希格斯态均很重）的近似希格斯对齐的可行机制。
• 识别能自然导致标量势中树幅希格斯对齐的对称性，特别是CP2、CP3或SO(3)。
• 构建一个模型，其中近似对齐源于一个被软性破坏的全局对称性，同时保持SM类希格斯耦合，并允许额外希格斯态为轻态。
• 通过将对称性与镜像费米子耦合，确保现象学可行性，避免出现无质量夸克或异常。
• 证明当混合参数ε较小时，无需解耦的对齐是可能的，导致tanβ ≈ O(1)，且mH ≈ mh(1+|R|)/(1−|R|)

提出的方法

• 在2HDM标量势中施加CP²对称性，等价于在Φ1–Φ2基下的一种Z2⊗Π2离散对称性，确保λ1=λ2，m11²=m22²，且m12²=λ6=λ7=0。
• 引入镜像费米子（U, Ū），通过Yukawa耦合y_t(qΦ2u + qΦ1U) 保持Z2对称性，同时通过大质量项MU破坏Π2对称性。
• 利用Π2的软性破坏生成一个微小的劈裂Δm² ≡ m22²−m11² ∼ −(3y_t²MU²)/(4π²)ln(Λ/MU)，该劈裂受抑制于二次发散。
• 推导出真空期望值比tanβ = √((1−ε)/(1+ε))，其中ε = cos2β = 2Δm²/(λ(1−R)v²)，将对齐与小ε联系起来。
• 使用公式m_h,H² = (λv²/2)[1 ∓ √(R² + (1−R²)ε²)] 计算物理希格斯质量，表明小ε导致当|R| < 1时，mH ≈ mh(1+|R|)/(1−|R|)。
• 证明当|cβ−α| ≈ |ε(1−R)|/(2|R|) 较小时，SM类希格斯态h近似对齐于ReH1⁰，意味着无需解耦的近似对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在2HDM中实现近似希格斯对齐而不需所有额外希格斯态都很重（即不依赖于解耦）？
• RQ2 哪些全局对称性（如CP2、CP3、SO(3)）能自然导致标量势中的树幅希格斯对齐？
• RQ3 如何通过一个被软性破坏的对称性防止质量劈裂Δm²中的二次发散，同时保持对齐？
• RQ4 镜像费米子在实现保持SM类希格斯耦合的对称性破缺机制中起什么作用？
• RQ5 在何种参数条件下，该模型能产生一个轻的SM类希格斯玻色子h，且其与第二希格斯双重态的混合可忽略？

主要发现

• 当混合参数ε = 2Δm²/(λ(1−R)v²) 较小时，2HDM中无需解耦的近似希格斯对齐是可能的，导致tanβ ≈ O(1)。
• 较重的CP偶态希格斯玻色子H的物理质量约为mH ≈ mh(1+|R|)/(1−|R|)，只要|R|不接近1，该质量就保持较轻。
• 当|cβ−α| ≈ |ε(1−R)|/(2|R|) 较小时，SM类希格斯态h近似对齐于ReH1⁰，这在ε较小时成立。
• 该模型实现了具有v1 ≠ 0且v2 ≠ 0（混合相）的稳定真空中，避免了IDM的惰性相。
• 软性破坏Π2对称性生成的Δm²较小，且受抑制于截止标度Λ的二次敏感性。
• 通过与镜像费米子耦合，保持了现象学可行性，避免了无质量夸克和异常，同时允许标量势中出现微小劈裂。