[论文解读] $b o s\ell^+\ell^-$ Transitions in Two-Higgs-Doublet Models

Andreas Crivellin, Dario Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用 4

一句话总结

本文研究了在具有通用 Yukawa 耦合和右手中微子的二Higgs双重模型（2HDM）中，$b \to s\ell^+\ell^-$ 矩阵元，通过一阶微扰展开将理论匹配到有效哈密顿量。研究发现，包含右手中微子可实现对 LHCb 数据中观测到的 $b \to s\mu^+\mu^-$ 异常以及 muon 异常磁矩 $a_\mu$ 的一致解释，但由于小 Higgs 混合，$h \to \tau\mu$ 衰变施加了严格约束，限制了可行参数空间。

ABSTRACT

In this article we study $b o sμ^+μ^-$ transitions and possible correlations with the anomalous magnetic moment of the muon ($a_μ$) within two-Higgs-doublet models with generic Yukawa couplings, including the possibility of right-handed neutrinos. We perform the matching on the relevant effective Hamiltonian and calculate the leading one-loop effects for $b o s\ell\ell^{(\prime)}$, $b o sγ$, $ΔB=ΔS=2$, $b o sν\barν$ and $\ell o\ell^\primeγ$ transitions in a general $R_ξ$ gauge. Concerning the phenomenology, we find that an explanation of the hints for new physics in $b o sμ^+μ^-$ data is possible once right-handed neutrinos are included. If lepton flavour violating couplings are allowed, one can account for the discrepancy in $a_μ$ as well. However, only a small portion of parameter space gives a good fit to $b o sμ^+μ^-$ data and the current bound on $h oτμ$ requires the mixing between the neutral Higgses to be very small if one aims at an explanation of $a_μ$.

研究动机与目标

• 探讨具有通用 Yukawa 耦合和右手中微子的二Higgs双重模型是否能同时解释 LHCb 数据中观测到的 $b \to s\mu^+\mu^-$ 异常以及 muon 异常磁矩 $a_\mu$ 的长期偏差。
• 在一般 $R_\xi$ 规范下，对 $b\to s\ell^+\ell^-$、$b\to s\gamma$、$\Delta B=\Delta S=2$、$b\to s\nu\bar{\nu}$ 和 $\ell\to\ell'\gamma$ 矩阵元完成完整的单圈匹配，得到有效哈密顿量。
• 评估在 $h \to \tau\mu$ 衰变约束下此类模型的可行性，该约束若要解释 $a_\mu$，则对中性 Higgs 混合施加强限制。
• 确定在不违反其他低能精确观测量的前提下，向量算符（解释 $b\to s\ell^+\ell^-$ 异常所必需）是否可通过 2HDM 中的圈图效应生成。

提出的方法

• 在一般 $R_\xi$ 规范下，对具有通用 Yukawa 耦合和右手中微子的 2HDM 进行单圈匹配，得到 $b\to s\ell^+\ell^-$、$b\to s\gamma$、$\Delta B=\Delta S=2$、$b\to s\nu\bar{\nu}$ 和 $\ell\to\ell'\gamma$ 矩阵元的有效哈密顿量。
• 采用一般 $R_\xi$ 规范以确保圈图计算中规范不变性与一致性，特别是对 Higgs 和规范玻色子自能的处理。
• 计算涉及带电 Higgs、中性 Higgs 和右手中微子的主导单圈贡献，包括有效哈密顿量中的标量与向量算符。
• 引入圈函数 $f_i(b)$、$I_j(a,b)$ 和 $I_{11}(a,b,c)$，系统评估具有复 Yukawa 耦合的 $b\to s\ell^+\ell^-$ 矩阵元振幅。
• 应用 $h \to \tau\mu$ 衰变的约束，该约束要求中性 Higgs 状态之间混合极小，以符合当前 LHC 的实验限制。
• 对 $b\to s\mu^+\mu^-$ 数据和 $a_\mu$ 进行全局拟合，评估在所有相关实验与理论约束下允许的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有通用 Yukawa 耦合和右手中微子的 2HDM 是否能同时解释 LHCb 数据中观测到的 $b\to s\mu^+\mu^-$ 异常以及 muon 异常磁矩 $a_\mu$ 的偏差？
• RQ2 在仅靠标量算符无法解释 $b\to s\ell^+\ell^-$ 数据的前提下，右手中微子在生成必要向量算符（如 $O_9$）方面起到何种作用？
• RQ3 在试图解释 $a_\mu$ 时，$h \to \tau\mu$ 衰变的约束如何限制可行参数空间？
• RQ4 在该框架下，$b\to s\gamma$、$b\to s\nu\bar{\nu}$ 和 $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合等圈诱导过程是否能与标准模型预测保持一致？
• RQ5 Higgs 混合角对在同一 2HDM 框架下同时解释 $b\to s\mu^+\mu^-$ 和 $a_\mu$ 的可行性有何影响？

主要发现

• 仅在包含右手中微子时，具有通用 Yukawa 耦合的 2HDM 才能解释 $b\to s\mu^+\mu^-$ 异常，因为右手中微子通过圈图效应生成了必要的向量算符。
• 右手中微子扇区中引入轻子味破坏耦合，使得 $a_\mu$ 偏差的同步解释成为可能，而在无此类耦合的模型中则无法实现。
• 仅在中性 Higgs 状态之间混合极小时（即参数空间极小部分），才能同时满足 $b\to s\mu^+\mu^-$ 数据与 $h \to \tau\mu$ 衰变约束。
• $h \to \tau\mu$ 衰变分支比对 CP 偶和 CP 奇 Higgs 状态之间的混合角施加了强上界，若要解释 $a_\mu$，则严重限制了参数空间。
• 当相关威尔逊系数适当调节时，该模型与 $b\to s\gamma$ 和 $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合保持一致，尽管这些过程也对参数空间构成约束。
• 有效哈密顿量方法，包括圈函数 $I_j(a,b)$ 和 $f_i(b)$，成功捕捉了在多重 Higgs 状态和右手中微子存在下 $b\to s\ell^+\ell^-$ 矩阵元的完整单圈动力学。