[论文解读] Fitting the Two-Higgs-Doublet model of type II

Otto Eberhardt|arXiv (Cornell University)|May 13, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文使用电弱精确可观测量、希格斯信号强度、味物理约束以及LHC排除限值，对类型II的双 Higgs双生模型（2HDM-II）进行了全局拟合。结果表明，在95%置信水平下，对齐极限强烈受支持，赝标量希格斯玻色子质量被约束在240 GeV以上，而重的CP偶性希格斯玻色子质量可低于200 GeV。当存在共振H时，$hhH$耦合可达到标准模型值的2.5倍，从而在14 TeV LHC能量下使$gg \to hh$截面实现高达70倍的增强。

ABSTRACT

We present the current status of the Two-Higgs-Doublet model of type II. Taking into account all available relevant information, we exclude at $95$% CL sizeable deviations of the so-called alignment limit, in which all couplings of the light CP-even Higgs boson $h$ are Standard-Model-like. While we can set a lower limit of $240$ GeV on the mass of the pseudoscalar Higgs boson at $95$% CL, the mass of the heavy CP-even Higgs boson $H$ can be even lighter than $200$ GeV. The strong constraints on the model parameters also set limits on the triple Higgs couplings: the $hhh$ coupling in the Two-Higgs-Doublet model of type II cannot be larger than in the Standard Model, while the $hhH$ coupling can maximally be $2.5$ times the size of the Standard Model $hhh$ coupling, assuming an $H$ mass below $1$ TeV. The selection of benchmark scenarios which maximize specific effects within the allowed regions for further collider studies is illustrated for the $H$ branching fraction to fermions and gauge bosons. As an example, we calculate the cross section of $gg o hh$ for four benchmark points and show that a resonant $H$ could enhance it by almost a factor of $70$ at a centre-of-mass energy of $14$ TeV.

研究动机与目标

• 使用全面的全局拟合，评估当前实验与理论对类型II双 Higgs双生模型（2HDM-II）的约束。
• 在所有相关约束下，确定重希格斯玻色子$H$、$A$和$H^\pm$的允许参数空间。
• 量化三重希格斯耦合$hhh$、$hhH$等相对于标准模型的可能增强。
• 识别可最大化非标准衰变模式与$gg\to hh$截面的基准情景，以供未来对撞机研究使用。
• 评估近期LHC对$H\to hh$和$A\to hZ$的排除限值对模型参数空间的影响。

提出的方法

• 使用CKMfitter软件包对2HDM-II参数进行全局拟合，整合电弱精确可观测量、$BR(B\to X_s\gamma)$、$B_s$质量差以及LHC希格斯搜索结果。
• 将$gg\to H\to hh$和$gg\to A\to hZ$的排除限值作为实验输入，尽管它们未显著改变主要结果。
• 应用理论约束：通过S矩阵幺正性保证微扰性，通过标量势在246 GeV处的最小值保证真空稳定性。
• 使用物理参数：$m_h$、$m_H$、$m_A$、$m_{H^+}$、$\tan\beta$、$\beta - \alpha$、$v = 246$ GeV，以及软$Z_2$破缺参数$m_{12}^2$。
• 在2HDM-II框架内计算三重希格斯耦合$g_{hhh}$、$g_{hhH}$、$g_{hHH}$、$g_{HHH}$、$g_{hAA}$和$g_{hH^+H^-}$。
• 定义基准点（H-1至H-4），在$2\sigma$约束下最大化$H$分支比与三重耦合的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 从电弱精确可观测量、味物理和LHC数据出发，当前2HDM-II参数空间的约束是什么？
• RQ2 $hhH$耦合最多可超过标准模型值多少倍？其对希格斯对产生有何影响？
• RQ3 在2HDM-II中，$gg\to hh$截面是否可能显著增强？在何种条件下？
• RQ4 在14 TeV LHC上，观察非标准模型希格斯衰变的最有利基准情景是什么？
• RQ5 近期LHC对$H\to hh$和$A\to hZ$的排除限值如何影响允许的参数空间？

主要发现

• 在95%置信水平下，赝标量希格斯玻色子质量$m_A$被约束在240 GeV以上，且与对齐极限无显著偏离。
• 重的CP偶性希格斯玻色子$H$的质量可低于200 GeV，且其衰变$H\to AA$在$2\sigma$水平被排除。
• 2HDM-II中的$hhh$耦合无法超过标准模型值；在$2\sigma$水平下可减少至标准模型值的50%以下。
• $hhH$耦合最多可达标准模型$hhh$耦合的2.5倍，假设$m_H \leq 1$ TeV。
• 对于基准点H-1，在14 TeV质心系能量下，共振$H$可使$gg\to hh$截面增强近70倍。
• 分支比$BR(H\to f\bar{f}, VV)$可依$m_H$而被抑制至$2\sigma$水平以下40%，且当$m_A$略低于$t\bar{t}$阈值时，$BR(A\to HZ)$可降至1%。