[论文解读] Constraining parameter space in type-II two-Higgs doublet model in light of a 126 GeV Higgs boson

Hyunsoo Cheon, Sin Kyu Kang|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文利用大型强子对撞机（LHC）中126 GeV Higgs玻色子的信号，对类型-II两Higgs双重模型（2HDM）的参数空间施加约束。通过引入真空稳定性、微扰性及幺正性至截断能标，并结合LEP与B物理的约束，该研究识别出Higgs质量与混合角的可行区域，表明只有较轻的Higgs（h）能够容纳ATLAS观测到的增强双光子衰变率，而较重的Higgs（H）则与之不相容。

ABSTRACT

We explore the implications of a 126 GeV Higgs boson indicated by the recent LHC results for two-Higgs doublet model (2HDM). Identifying the 126 GeV Higgs boson as either the lighter or heavier of CP even neutral Higgs bosons in 2HDM, we examine how the masses of Higgs fields and mixing parameters can be constrained by the theoretical conditions and experimental constraints. The theoretical conditions taken into account are the vacuum stability, perturbativity and unitarity required to be satisfied up to a cut-off scale. We also show how bounds on the masses of Higgs bosons and mixing parameters depend on the cut-off scale. In addition, we investigate whether the allowed regions of parameter space can accommodate particularly the enhanced di-photon signals, ZZ* and WW* decay modes of the Higgs boson, and examine the prediction of the signal strength of Zγ decay mode for the allowed regions of the parameter space.

研究动机与目标

• 研究126 GeV Higgs玻色子对类型-II两Higgs双重模型（2HDM）的影响。
• 利用理论条件（真空稳定性、微扰性、幺正性）至截断能标，约束Higgs玻色子的质量与混合参数。
• 评估LEP与B物理约束如何进一步限制允许的参数空间。
• 评估LHC数据中观测到的增强双光子、$ZZ^*$ 与 $WW^*$ 信号强度是否可在允许区域内得到解释。
• 预测在允许的参数空间中 $Z\gamma$ 衰变模式的信号强度。

提出的方法

• 研究采用具有软性 $Z_2$ 对称性破缺的2HDM可重整化标量势，并假设参数为实数以保持CP对称性。
• 利用质量矩阵形式推导物理Higgs质量，其中CP偶态满足 $M_h \leq M_H$，而CP奇态与带电Higgs分别对应 $M_A$ 与 $M_{H^\pm}$。
• 在截断能标 $\Lambda$ 之下应用理论约束（真空稳定性、微扰性、幺正性），这些约束影响允许的耦合常数与质量范围。
• 整合LEP与B物理（如 $b \to s\gamma$）的实验约束，以进一步限制参数空间。
• 计算 $\gamma\gamma$、$ZZ^*$、$WW^*$ 与 $Z\gamma$ 衰变的信号强度，并利用混合角 $\alpha$ 与 $\tan\beta$ 与LHC数据进行比较。
• 分析两种情形下的允许参数区域：126 GeV Higgs为较轻Higgs（h）或较重Higgs（H）的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类型-II 2HDM中，LHC观测到的126 GeV Higgs玻色子能否被一致地识别为较轻或较重的CP偶态Higgs？
• RQ2 真空稳定性、微扰性与幺正性至截断能标如何约束2HDM中Higgs玻色子的质量与混合参数？
• RQ3 LEP与B物理约束在多大程度上进一步限制了2HDM中的允许参数空间？
• RQ4 观测到的增强双光子与 $VV^*$ 信号强度是否可在允许参数区域内得到解释？
• RQ5 在2HDM参数空间的允许区域内，$Z\gamma$ 衰变模式的预测信号强度是多少？

主要发现

• 在类型-II 2HDM中，允许的参数空间强烈依赖于截断能标 $\Lambda$，$\Lambda$ 越小，约束越紧。
• 当126 GeV Higgs被识别为较重CP偶态Higgs（$H$）时，参数空间与ATLAS观测到的增强双光子信号不相容。
• 当126 GeV Higgs为较轻CP偶态Higgs（$h$）时，允许的参数空间足够宽广，可容纳 $\Lambda = 1$ 至 $100$ TeV 范围内CMS与ATLAS对 $\gamma\gamma$、$ZZ^*$ 与 $WW^*$ 衰变的信号强度。
• $Z\gamma$ 衰变的信号强度在允许区域内与标准模型预期一致，无显著增强或抑制。
• 在类型-I 2HDM中，较轻Higgs（$h$）也可容纳这些信号强度，但由于Yukawa耦合结构不同，双光子增强的可能性低于类型-II。
• 分析表明，$\tan\beta$ 与 $\alpha$ 受理论与实验条件强烈约束，尤其当 $\Lambda$ 较小时。