[论文解读] Higgs Boson Contributions to the Electron Electric Dipole Moment

Daniel Egaña-Ugrinovic, Scott Thomas|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用 14

一句话总结

该论文在重希格斯粒子解耦极限附近，采用有效场论方法，计算了在Glashow-Weinberg条件下的两希格斯双重模型（2HDM）中，希格斯玻色子对电子电偶极矩（eEDM）的贡献。结果表明，主导贡献来自仅包含标准模型（SM）粒子的两圈Barr-Zee图，且ACME II实验对希格斯粒子与费米子耦合中T破坏相位的约束达到千分之一体量级。

ABSTRACT

The contributions of a second Higgs doublet to the electron electric dipole moment near the heavy Higgs decoupling limit are determined within an effective field theory framework. In models that satisfy the Glashow-Weinberg condition, the leading contributions in this limit at effective dimension six are shown to come from two-loop Barr-Zee diagrams that include the Standard Model-like Higgs boson. Additional diagrams that include heavy Higgs bosons are sub-leading and contribute only at effective dimension eight near the decoupling limit. This simplification implies that to leading order in this limit, contributions of a second Higgs doublet to the electron electric dipole moment can be couched entirely in terms of the ratio of Higgs doublet expectation values and a single universal phase appearing in the effective couplings of the Standard Model-like Higgs boson to fermions, without direct reference to the heavy Higgs boson masses or couplings. The recent bound from the ACME II experiment constrains the phases of the couplings of the Standard Model-like Higgs boson to up-type quarks and leptons at the part per mil level in Type I and IV two Higgs doublet models. In Type II and III models these phases are constrained at the two parts per mil or better level except in a tiny sliver of parameter space with nearly equal Higgs doublet expectation values where destructive interference among contributing diagrams happens to occur. In a more general phenomenological parameterization with individual effective phases in the couplings of the Standard Model-like Higgs boson to third generation fermions and the electron, the top quark and electron coupling phases are constrained at the part per mil level except in tiny slivers of parameter space, while the bottom quark and tau-lepton coupling phases are constrained only at the thirty percent level.

研究动机与目标

• 确定在重希格斯解耦极限下，第二希格斯双重态对电子电偶极矩（eEDM）的主导贡献。
• 识别仅涉及标准模型规范玻色子、第三代费米子和SM型希格斯玻色子的主导两圈Barr-Zee图。
• 表明重希格斯玻色子的贡献为次主导，且仅在有效维度八时出现。
• 利用ACME II实验的eEDM约束，对希格斯粒子与费米子耦合的相位进行限制。
• 分析多相位场景中破坏性干涉对eEDM约束灵敏度的影响。

提出的方法

• 在解耦极限下，使用有效场论（EFT）框架积分掉重希格斯态。
• 在重希格斯质量的负幂次中进行系统性的算符乘积展开（OPE），按有效维度组织贡献。
• 识别出仅涉及SM规范玻色子和第三代费米子的两圈Barr-Zee图所贡献的主导阶（有效维度六）项。
• 将希格斯真空期望值之比tanβ以及SM型希格斯耦合中的单一通用相位视为主导阶下的唯一相关参数。
• 应用ACME II实验结果 |de| < 1.1×10⁻²⁹ e·cm，对有效Yukawa耦合修正因子的虚部进行约束。
• 使用数值等高线图探索多个T破坏Yukawa耦合之间的干涉效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重希格斯解耦极限下，第二希格斯双重态对电子电偶极矩的主导两圈贡献是什么？
• RQ2 在解耦极限下，重希格斯玻色子的贡献与SM粒子的贡献相比如何？
• RQ3 ACME II eEDM实验对希格斯粒子与上型夸克和轻子耦合中T破坏相位的约束是什么？
• RQ4 不同T破坏Yukawa耦合之间的破坏性干涉如何影响eEDM约束的灵敏度？
• RQ5 在多参数化中，eEDM在多大程度上可仅由tanβ和SM型希格斯耦合中单一通用相位描述？

主要发现

• 在有效维度六下，主导的eEDM贡献来自仅涉及SM规范玻色子、第三代费米子和SM型希格斯玻色子的两圈Barr-Zee图。
• 涉及重希格斯玻色子的图的贡献为次主导，且仅在解耦极限附近以有效维度八出现。
• 主导阶下eEDM仅依赖于tanβ和SM型希格斯玻色子与费米子耦合中的单一通用相位，与重希格斯粒子的质量和耦合无关。
• ACME II实验约束将上型夸克和轻子的Yukawa耦合修正因子虚部限制在千分之一体量级，适用于类型I和IV 2HDM。
• 在类型II和III模型中，约束水平为两倍千分之一体量级或更优，除非在tanβ值几乎相等的狭窄区域内，此时破坏性干涉降低了灵敏度。
• 在一般参数化中，顶夸克和电子耦合相位的约束达到千分之一体量级，而底夸克和τ子的相位仅在30%量级受到约束，除非在存在破坏性干涉的小区域内。