[论文解读] $(g-2)_\mu$ in the 2HDM and slightly beyond -- an updated view

P. M. Ferreira, B. L. Gonçalves+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文在双 Higgs 二重态模型（2HDM）的框架下重新审视了μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$，特别聚焦于类型-X 和μ子特异型 2HDM 与矢量型轻子（VLLs）的结合。研究表明，VLLs—在不与μ子混合的情况下—显著扩展了用于解释 $(g-2)_\mu$ 异常的参数空间，尤其在轻子特异型（类型-X）模型中，同时保持与电弱精确测量及希格斯衰变约束的一致性。VLLs 的引入使得赝标量希格斯玻色子更轻且 $\tan\beta$ 更大，从而将实验异常的拟合度提升至 4.2$\sigma$。

ABSTRACT

The recent measurement of the muon $g - 2$ anomaly continues to defy a Standard Model explanation, but can be accommodated within the framework of two Higgs doublet models. If one further includes extra fermion content in the form of a generation of vector like leptons, the allowed parameter range that explains the anomaly is even further extended, and thorny issues of perturbativity and clashes with $B$-decay constraints avoided. We will show how the muon magnetic moment anomaly can be fit within these models, under the assumption that the vector-like leptons do not mix with the muon. We update previous analyses and include all theoretical and experimental constraints, including searches for extra scalars. It is shown that the inclusion of vector-like fermions allows the lepton-specific and muon-specific models to perform much better in fitting the muon's $g - 2$. These fits do require the Yukawa coupling between the Higgs and the vector-like leptons to be large, causing potential problems with perturbativity and unitarity, and thus models in which the vector-like leptons mix with the muon may be preferred.

研究动机与目标

• 在费米实验室最新测量结果的背景下，重新评估 2HDM（特别是类型-X 和μ子特异型模型）解释观测到的 $(g-2)_\mu$ 异常的能力。
• 研究在不与μ子混合的情况下，矢量型轻子（VLLs）的引入如何影响 2HDM 解释该异常的参数空间与可行性。
• 对包含 2HDM 与 VLLs 的理论和实验约束（如电弱精确测量、希格斯衰变、B 介子衰变限制以及幺正性）进行更新与整合。
• 评估通过两圈 Barr-Zee 图贡献的 VLL 贡献是否能缓解标准类型-II 2HDM 中困扰的 B 介子衰变约束之间的矛盾。
• 将包含 VLLs 的类型-X 和μ子特异型 2HDM 与标准 2HDM 进行比较，评估其在规范耦合的微扰性和幺正性约束下的表现。

提出的方法

• 采用具有 $\mathbb{Z}_2$ 对称性的 2HDM 以禁止树图级味改变中性流，重点研究类型-X 和μ子特异型模型。
• 引入与希格斯场耦合但不与μ子混合的矢量型轻子（VLLs），通过两圈 Barr-Zee 图贡献于 $\Delta a_\mu$。
• 应用来自电弱精确测量可观测量、$B \to K^{(*)} \ell^+\ell^-$ 衰变、$\tau$ 轻子衰变以及希格斯玻色子不可见衰变模式的约束，以限制参数空间。
• 以最新的费米实验室 $\mu$-g-2 测量结果（$\Delta a_\mu = (251 \pm 59) \times 10^{-11}$）作为异常拟合的输入。
• 执行全局拟合，包含对希格斯与 VLLs 之间规范耦合的幺正性和微扰性约束，设定 $\lambda_{L,R}$ 的限制。
• 对 $m_A$、$\tan\beta$、$m_{H^+}$ 以及 VLL 质量进行数值扫描，并设置基准点（B1、B2）以说明 $(m_A, \tan\beta)$ 平面中允许区域的分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不与μ子混合的情况下，引入矢量型轻子（VLLs）是否能显著扩展类型-X 2HDM 中用于解释 $(g-2)_\mu$ 异常的可行参数空间？
• RQ2 来自 $B$-介子衰变、$\tau$ 轻子衰变以及希格斯玻色子不可见衰变的约束，如何影响包含 VLLs 的 2HDM 中的允许参数空间？
• RQ3 与标准 2HDM 相比，VLLs 通过两圈 Barr-Zee 图贡献在多大程度上改善了对 $(g-2)_\mu$ 异常的拟合？
• RQ4 Higgs 与 VLLs 之间大规范耦合对模型的微扰性和幺正性有何影响？
• RQ5 μ子特异型 2HDM 与 VLLs 是否能同时满足 $(g-2)_\mu$ 异常，并避免标准类型-II 模型被 B 衰变约束所排除的问题？

主要发现

• 在不与μ子混合的情况下引入矢量型轻子（VLLs）后，类型-X 和μ子特异型 2HDM 可以在 $m_A$ 低至 10 GeV 且 $\tan\beta$ 介于 30 至 50 的范围内解释 $(g-2)_\mu$ 异常，与 4.2$\sigma$ 异常一致。
• 通过两圈 Barr-Zee 图贡献的 VLLs 显著拓宽了可行参数空间，使得此前因 $B$ 衰变约束而被排除的解成为可能。
• 该模型仅在 Higgs 与 VLLs 之间的规范耦合 $\lambda_{L,R}$ 较大时才保持可行，其中基准点 B1 和 B2 的 $\lambda_{\text{max}} \lesssim 4\pi$。
• 与标准 2HDM 相比，μ子特异型 2HDM 与 VLLs 在 $(m_A, \tan\beta)$ 平面中的允许区域延伸至更低的 $m_A$ 和更高的 $\tan\beta$，从而更好地拟合异常。
• $\tau$ 轻子衰变和 $h \to AA$ 不可见衰变的约束进一步限制了参数空间，但并未排除 VLL 扩展模型中的可行解。
• 本研究确认，若 VLLs 与μ子混合，可能更优，因其可降低规范耦合的需求；然而，不与μ子混合的 VLLs 仍为解释该异常提供了可行路径。