[论文解读] Electroweak-Higgs Unification in the Two Higgs Doublet Model: Masses and Couplings of the Neutral and Charged Higgs Bosons

J. Lorenzo Díaz-Cruz, A. Rosado|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Oct 13, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在双 Higgs 双生模型（THDM）中的新型电弱-希格斯统一情景，其中希格斯自耦合在中间尺度 $M_{GH}$ 处与电弱规范耦合统一。通过在 $g_1$、$g_2$ 和 $λ_i$ 参数之间施加线性或二次统一条件，作者预测了特定的希格斯质量谱：当 $τan\beta = 1$ 时，$m_{h^0} \approx 109$ GeV，$m_{H^0} \approx 123$ GeV，$m_{A^0} \approx 116$ GeV，$m_{H^\pm} \approx 80$ GeV，且结果在不同超荷归一化下保持稳定。

ABSTRACT

We obtain the mass spectrum and the Higgs self-coupling of the two Higgs doublet model (THDM) in an alternative unification scenario where the parameters of the Higgs potential $λ_i$ ($i=1,2,3,4,5$) are determined by imposing their unification with the electroweak gauge couplings. An attractive feature of this scenario is the possibility to determine the Higgs boson masses by evolving the $λ_i$,s from the electroweak-Higgs unification scale $M_{GH}$ down to the electroweak scale. The unification condition for the gauge ($g_1,g_2$) and Higgs couplings is written as $g_1=g_2=f(λ_i)$, where $g_1=k_Y^{1/2} g_Y$, and $k_Y$ being the normalization constant. Two variants for the unification condition are discussed; Scenario I is defined through the linear relation: $g_1=g_2=k_H(i)λ_i(M_{GH})$, while Scenario II assumes a quadratic relation: $g^2_1=g^2_2=k_H(i)λ_i(M_{GH})$. Working in Scenario I, fixing {\it ad hoc} $-k_H(5)={1/2} k_H(4)={3/2} k_H(3)=k_H(2)=k_H(1) =1$, taking $ anβ=1$ and using the standard normalization ($k_Y=5/3$), we obtain the following spectrum for the Higgs boson masses $m_{h^0} = 109.1$ GeV, $m_{H^0} = 123.2$ GeV, $m_{A^0} = 115.5$ GeV, and $m_{H^{\pm}} = 80.3$ GeV, with similar results for other normalizations such as $k_Y=3/2$ and $k_Y=7/4$.

研究动机与目标

• 探索一种新的统一情景，即在中间尺度 $M_{GH}$ 处，希格斯自耦合与电弱规范耦合统一。
• 在该统一条件下，预测双 Higgs 双生模型（THDM）中的希格斯玻色子质量谱。
• 研究希格斯质量与耦合对超荷归一化 $k_Y$ 和 $\tan\beta$ 的依赖性。
• 评估该情景在未来的 ILC 等对撞机中的现象学可行性。

提出的方法

• 在两种变体中施加统一条件 $g_1 = g_2 = k_H(i)\lambda_i(M_{GH})$：线性情形（情景 I）与二次情形（情景 II）。
• 使用跑动方程将 $λ_i$ 参数从 $M_{GH}$ 运行至电弱尺度。
• 将超荷归一化 $k_Y$ 固定为 $5/3$、$3/2$ 和 $7/4$，以研究其对 $M_{GH}$ 和希格斯谱的影响。
• 使用显式包含 $\mu^2_0$ 和 $\lambda_i$ 参数的 THDM 标量势计算希格斯质量与耦合。
• 应用条件 $g_1 = k_Y^{1/2}g_Y$，并通过 $k_H(i)$ 系数将 $g_1$、$g_2$ 与 $λ_i$ 关联，以强制实现统一。
• 对不同 $\tan\beta$ 值，数值求解中性与带电希格斯态的质量矩阵对角化问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 THDM 中，希格斯自耦合 $λ_i$ 是否能在高能标 $M_{GH}$ 处与电弱规范耦合 $g_1$、$g_2$ 统一？
• RQ2 在如此统一条件下，产生的希格斯玻色子质量谱为何？
• RQ3 预测的希格斯质量如何依赖于超荷归一化 $k_Y$ 和 $\tan\beta$？
• RQ4 预测的希格斯质量是否与当前实验约束一致，并可在未来对撞机中观测到？
• RQ5 在该统一框架下，$λ_i$ 参数在决定希格斯 sector 结构中起何作用？

主要发现

• 当 $\tan\beta = 1$ 且 $k_Y = 5/3$ 时，情景 I 中预测的希格斯质量为 $m_{h^0} = 109.1$ GeV，$m_{H^0} = 123.2$ GeV，$m_{A^0} = 115.5$ GeV，$m_{H^\pm} = 80.3$ GeV。
• 电弱-希格斯统一尺度为 $M_{GH} = 1.3 \times 10^{13}$ GeV（当 $k_Y = 5/3$ 时），在 $k_Y = 3/2$ 时增至 $5.9 \times 10^{14}$ GeV。
• 希格斯质量谱在不同 $k_Y$ 值下保持相对稳定，当 $k_Y = 7/4$ 时，$m_{h^0}$ 随 $\tan\beta$ 从 1.0 增加到 1.2 而略微下降，从 109.1 GeV 降至 95.0 GeV。
• 带电希格斯质量随 $\tan\beta$ 单调增加，在 $k_Y = 7/4$ 且 $\tan\beta = 1.2$ 时达到 $84.27$ GeV。
• 中性希格斯态 $h^0$、$H^0$ 和 $A^0$ 的质量随 $\tan\beta$ 呈非单调行为，其中 $m_{H^0}$ 随 $\tan\beta$ 增大而减小，$m_{A^0}$ 则增大。
• 结果对不同超荷归一化具有鲁棒性，在 $k_Y = 5/3$、$3/2$ 和 $7/4$ 下预测结果一致。