[论文解读] Higgs potential and hidden light Higgs scenario in two Higgs doublet models

S. Chang, Sin Kyu Kang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了在两种希格斯双重模型（2HDMs）中的隐藏轻希格斯场景，其中125 GeV的希格斯 boson 是较重的CP偶态 $H^0$，而较轻的 $h^0$ 尚未被探测到。利用LHC希格斯信号强度、级联衰变效应以及对重希格斯玻色子的排除限制，研究发现对希格斯势有强烈约束，$m_{A}^{0}$ 和 $m_{H^{/pm}}$ 的下限约为600 GeV，且 $m_{12}^{2} < (45\,\text{GeV})^2$，而类型II、X和Y中的四次耦合如 $\hat{g}_{HHH}$ 显著受限。

ABSTRACT

In two Higgs doublet models (2HDM), there exists an interesting possibility, the hidden light Higgs scenario, that the discovered SM-like Higgs boson is the heavier extit{CP}-even Higgs boson $H^0$ and the lighter extit{CP}-even $h^0$ has not been observed yet in any experiment. We study the current status of this scenario in Types I, II, X, and Y, through the scans of the 2HDM parameters with all relevant theoretical and experimental constraints. We employ not only the most up-to-date Higgs signal strength measurements with the feed-down effects, but also all the available LHC exclusion limits from heavy Higgs searches. Adjusting the heavier $H^0$ to the 125 GeV state while hiding the lighter $h^0$ from the LEP Higgs search prohibits the extreme decoupling limit: there exist upper bounds on the masses of the pseudoscalar $A^0$ and the charged Higgs $H^\pm$ below about 600 GeV. In addition, the $Z_2$ symmetry is shown to be a good approximate symmetry since the soft $Z_2$ symmetry breaking parameter $m_{12}^2$ should be less than about (45 GeV)$^2$. Most interestingly, a few parameters in the Higgs potential and the related Higgs triple and quartic couplings are shown to be meaningfully constrained by the current data. The double Higgs-strahlung process at an $e^+ e^-$ collider is also studied.

研究动机与目标

• 评估在2HDMs中隐藏轻希格斯场景的可行性，其中125 GeV希格斯玻色子为较重的CP偶态 $H^0$，而较轻的 $h^0$ 未被探测到。
• 应用最新的LHC希格斯信号强度测量数据，包括级联衰变效应，并结合所有相关的LHC重希格斯玻色子搜索的排除限制。
• 检验该场景与单位性、微扰性以及真空稳定性等理论约束的一致性。
• 约束希格斯势参数，特别是 $m_{12}^2$、$\lambda_2$ 和四次耦合，涵盖类型I、II、X和Y的2HDMs。
• 评估未来 $e^+e^-$ 对撞机通过双希格斯辐射过程探测 $\hat{g}_{hHH}$ 和 $\hat{g}_{HHH}$ 的潜力。

提出的方法

• 在类型I、II、X和Y的2HDMs中进行全局参数扫描，整合所有理论和实验约束。
• 应用最新的LHC希格斯信号强度数据，包含级联衰变效应，并结合LHC对 $H^\pm$、$A^0$ 和 $H^0$ 衰变的排除限制。
• 利用对齐极限条件和 $Z_2$ 对称性破缺参数 $m_{12}^2$ 来约束希格斯势结构。
• 评估相对于标准模型（SM）值的归一化四次希格斯耦合 $\hat{g}_{\phi_i\phi_j\phi_k\phi_\ell}$，以评估偏离程度。
• 研究在500 GeV能量下的 $e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$ 过程，以探测 $\hat{g}_{hHH}$ 和 $\hat{g}_{HHH}$，包括来自 $Z^0$-$H^0$-$A^0$ 顶点的贡献。
• 将截面归一化至标准模型值，并分析当 $m_A \geq m_Z + m_H$ 时，由于 $A^0$ 传播子极点导致的增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 125 GeV的希格斯玻色子能否作为较重的CP偶态 $H^0$，而较轻的 $h^0$ 在LEP和LHC搜索中仍保持未被探测？
• RQ2 在隐藏轻希格斯场景中，赝标量 $A^0$ 和带电希格斯 $H^\pm$ 的质量上限是多少？
• RQ3 该场景中 $Z_2$ 对称性破缺参数 $m_{12}^2$ 的约束程度如何？
• RQ4 当前LHC数据对哪些希格斯四次耦合约束最强？
• RQ5 未来对撞机中的 $e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$ 过程能否探测到 $\hat{g}_{hHH}$ 和 $\hat{g}_{HHH}$ 的显著增强？

主要发现

• 赝标量 $A^0$ 和带电希格斯 $H^\pm$ 的质量上限约为600 GeV，排除了极端解耦极限。
• 软 $Z_2$ 对称性破缺参数 $m_{12}^2$ 被约束在 $(45\,\text{GeV})^2$ 以下，表明 $Z_2$ 是一个良好的近似对称性。
• 四次耦合 $\hat{g}_{HHH}$ 在类型II、X和Y中显著受限，且接近标准模型值，而类型I允许更宽的范围。
• $\hat{g}_{HHHH}$ 在类型II、X和Y中也受到约束，其与标准模型值的偏离受到限制。
• 当 $m_A \geq m_Z + m_H$ 时，$e^+e^- \to Z^0 H^0 H^0$ 的截面在 $m_A \approx 300$ GeV 附近可增强高达 $10^4$ 倍，尤其在类型I和X中显著。
• 希格斯四次耦合 $\hat{g}_{hhhh}$ 和 $\hat{g}_{AAAA}$ 可增强超过十倍，使其可通过 $e^+e^- \to Z^0 h^0 h^0 h^0$ 和 $\gamma\gamma \to A^0 A^0 A^0$ 过程潜在可观测。