[论文解读] CP-violation and its implications in a complex singlet extension of 2HDM

Jayita Lahiri, Gudrid Moortgat-Pick|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2026

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一句话总结

本文分析了在 Yukawa 对齐的通用 2HDM 的复杂单重态扩展中的 CP 违背，包括暗物质和 EDM 约束，并探讨了对 CP 违背效应的碰撞机探测。

ABSTRACT

We investigate CP-violation in the complex singlet extension of the general Two Higgs Doublet Model (2HDM) with Yukawa alignment condition. We first explore the possibility of explicit CP-violation in the extended scalar sector while the 125 GeV Higgs remains exactly Standard Model (SM)-like. We identify an additional source of CP violation in the complex singlet extension compared to the 2HDM, which allows this model a substantially greater freedom in satisfying the stringent EDM constraints. We also incorporate dark matter in this model and investigate the impacts of constraints from the dark sector on the model parameter space and its interplay with CP-violation phases. We further explore the possibility of detecting such a scenario at future collider experiments via CP-violating trilinear couplings among the non-standard scalars. Finally, we also deviate from the exact alignment limit and investigate the CP-properties of the observed Higgs boson in the context of our model. We demonstrate the strong model-dependent nature of the detection prospects of the CP-phase of the Higgs boson at future experiments, exploring both fermion couplings as well as the trilinear self-coupling of the Higgs boson.

研究动机与目标

• 推动超出 SM 的 CP 违背以应对产生重子生成和在扩展标标标量领域中的 DM.
• 引入并在严格对齐下分析带有 Yukawa 对齐的 2HDM 的复杂单重态扩展。
• 识别标量势和 Yukawa 领域中的 CP-违背来源及其物理效应。
• 评估模型参数空间的 EDM、暗物质和对撞机约束。
• 探索在非标准标量及在接近但不完全对齐的 125 GeV 希格斯中出现的 CP-违背信号。

提出的方法

• 设定两对希格斯偶极子再加一个复单态的最一般势，包含可能的复参数。
• 在希格斯基中推导标量质量矩阵并识别 CP-违背相。
• impose exact alignment 以保持 SM 样的 125 GeV 希格斯，同时在标量领域允许 CP-违背。
• 实施 Yukawa 对齐以避免 FCNC，同时允许 Yukawa 耦合中的 CP-违背相。
• 从复单态中引入暗物质候选者并推导稳定性条件与质量关系。
• 通过两级 Bar-Zee 图（包含费米子、标量和规范玻色子环路）计算 EDM 贡献并与实验边界比较。

Figure 1 : The two-loop Bar-Zee diagrams with fermion (left), scalar (middle) and gauge-boson (right) loop contributions. The solid lines with pointing arrows denote fermion lines (quarks and leptons), the dashed lines denote scalars ( $H_{1..4}$ and $H^{\pm}$ ), and the wavy lines represent gauge b

实验结果

研究问题

• RQ1 在带有 Yukawa 对齐的复杂单态扩展的 2HDM 中，哪些 CP-违背源会出现？
• RQ2 EDM 数据如何约束该模型中的 CP-违背相和标量质量？
• RQ3 该模型是否能够在不破坏对齐或不引起较大 EDM 的情况下包含暗物质候选者？
• RQ4 通过三重耦合与希格斯耦合，在未来碰撞机上检测 CP-违背效应的前景如何？
• RQ5 当在该框架中超出精确对齐时，125 GeV 希格斯的 CP-相位表现如何？

主要发现

• 该模型在标量质量矩阵中引入了额外的 CP-违背相 theta_CP，超出标准 2HDM 扩展中的 CP-违背相，从而在满足 EDM 约束方面提供了更大的自由度。
• 电子 EDM 约束可以通过费米子和标量环路贡献之间的抵消来实现，允许区域取决于非标准标标量质量及耦合如 lambda_5′、lambda_2′ 等。
• 引入额外的 CP-违背源 theta_CP 时，与 CP-违背的 2HDM 相比，EDM 约束显著放宽，从而扩大了可行参数空间。
• 复杂单态扩展在 lambda′ 系列项之间的特定实部/虚部关系下允许一个稳定的暗物质候选者（包括 lambda_6′、lambda_7′、lambda_8′），同时保持对齐。
• 即使 125 GeV 希格斯保持 SM-样，CP-违背三重及四重标量耦合（例如涉及 theta_7 的耦合）中也可能出现 CP-违背信号，未来碰撞机的检测前景高度依赖模型。

Figure 2 : Constraints on $\theta_{CP}$ from the most recent electron EDM bound with $\theta_{7}=0,\theta_{f}=0$ , $|\lambda_{7}|=0.3,\lambda_{2}^{\prime}=0$ .