[论文解读] Higgs Signals in a Type I 2HDM or with a Sister Higgs

Daniele S. M. Alves, Patrick J. Fox+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 23

一句话总结

该论文提出了一种类型 I 的 2HDM 或伴生希格斯（sister Higgs）模型，其中希格斯双重态不与费米子耦合，从而在 γγ 最终态中通过矢量玻色子融合（VBF）增强希格斯玻色子的产生，同时抑制了费米子衰变。这是由于费米子耦合在树图级别被抑制，而 γγ 衰变则通过圈图贡献实现。该模型自然地解释了增强的 VBF γγ 信号，且未引入显著的味物理或电弱精确测量约束。

ABSTRACT

In models where an additional SU(2)-doublet that does not have couplings to fermions participates in electroweak symmetry breaking, the properties of the Higgs boson are changed. At tree level, in the neighborhood of the SM-like range of parameter space, it is natural to have the coupling to vectors, cV, approximately constant, while the coupling to fermions, cf, is suppressed. This leads to enhanced VBF signals of gamma gamma while keeping other signals of Higgses approximately constant (such as WW* and ZZ*), and suppressing higgs to tau tau. Sizable tree-level effects are often accompanied by light charged Higgs states, which lead to important constraints from b to s gamma and top to b H+, but also often to similarly sizable contributions to the inclusive h to gamma gamma signal from radiative effects. In the simplest model, this is described by a Type I 2HDM, and in supersymmetry is naturally realized with "sister Higgs" fields. In such a scenario, additional light charged states can contribute further with fewer constraints from heavy flavor decays. With supersymmetry, Grand Unification motivates the inclusion of colored partner fields. These G-quarks may provide additional evidence for such a model.

研究动机与目标

• 为解释大型强子对撞机（LHC）观测到的希格斯 γγ 信号增强，特别是矢量玻色子融合（VBF）通道中的增强，同时避免 WW*/ZZ* 信号的显著偏离。
• 研究一种第二希格斯双重态仅与规范玻色子耦合而不与费米子耦合的模型，以最小化味改变和电弱精确测量的约束。
• 评估带电希格斯和有色 G-夸克在圈图级别对增强 γγ 衰变振幅中的作用，同时与现有实验约束保持一致。
• 探讨此类情形——即费米子耦合被抑制且 VBF γγ 被增强——是否可通过超对称理论中的“伴生希格斯”场及其 GUT 伙伴实现。
• 提出一个三参数拟合（cV, cf, δcγγ），用于约束不同产生模式下的希格斯信号，为未来数据提供可检验的框架。

提出的方法

• 采用类型 I 2HDM 框架，其中第二希格斯双重态仅与规范玻色子耦合而不与费米子耦合，导致费米子耦合被抑制（cf < 1），且矢量玻色子耦合近似为标准模型（cV ≈ 1）。
• 通过 σ × BR 参数化希格斯信号强度，其中胶子融合的截面按 (ct + δcgg)² 缩放，VBF/Vh 按 cV² 缩放，而衰变宽度则按 cV、ct 和 δcγγ 分别缩放 γγ 和 VV 模式。
• 通过 δcγγ 引入对 γγ 振幅的一圈修正，其来源于带电希格斯和 G-夸克的贡献，后者来自 GUT 动机下的 SU(3) 色对称伙伴。
• 施加来自 b → sγ 和 t → bH⁺ 衰变的约束，这些过程对 h–H 混合和带电希格斯质量敏感，以确保在味物理约束下仍具可行性。
• 考虑超对称理论中“伴生希格斯”场的作用，其中额外的标量和费米子成分（如 G-夸克）可通过与物理希格斯的弱混合，以减少味破坏约束的方式贡献于 δcγγ。
• 通过三个有效参数 cV、cf 和 δcγγ 对希格斯信号强度进行全局拟合，以检验与 LHC 数据的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类型 I 2HDM 或伴生希格斯模型中，是否能解释观测到的希格斯 γγ 信号增强，特别是在 VBF 通道中，同时不显著改变 WW*/ZZ* 信号强度？
• RQ2 在费米子耦合被抑制的希格斯双重态模型中，树图级别对费米子和矢量玻色子的耦合如何影响不同希格斯产生与衰变通道的相对速率？
• RQ3 带电希格斯和有色 G-夸克的圈图贡献能在多大程度上增强 γγ 衰变振幅，同时仍与 b → sγ 和 t → bH⁺ 的约束保持一致？
• RQ4 在超对称模型中引入‘伴生希格斯’场，是否能自然实现 VBF γγ 信号增强，同时减少味破坏约束？
• RQ5 三参数拟合（cV, cf, δcγγ）是否足以描述当前 LHC 希格斯信号数据？若该拟合被实现，其可能意味着什么？

主要发现

• 在类型 I 2HDM 或伴生希格斯情景中，树图级别抑制费米子耦合（cf < 1）同时保持 cV ≈ 1，可导致 VBF γγ 信号增强和 ττ 衰变抑制。
• γγ 信号强度在树图级别（通过 δcγγ）和圈图修正（来自带电希格斯和 G-夸克）均被增强，当 tanβ ≈ 1 且 G-夸克质量较轻（约 150 GeV）时，后者的贡献尤为显著。
• 胶子融合产生（gg → h → γγ）因 δcgg 修正而增强，而 VBF 和关联产生（Vh、tth）则保持接近标准模型水平，与当前数据一致。
• WW*/ZZ* 衰变仅被轻微抑制或接近标准模型值，与那些通过 b̄b 衰变抑制来驱动 γγ 增强的模型不同，后者通常也会增强 WW*/ZZ* 信号。
• 当带电希格斯态与标准模型类希格斯玻色子未显著混合时，该模型可避免来自 b → sγ 和 t → bH⁺ 的强约束，尤其在伴生希格斯情景中因弱混合而更优。
• 由大统一理论（GUT）动机的 G-夸克和 G-夸克（G-squarks）可通过有效耦合 ~gs²/4cos²(β−δ) 为 δcγγ 提供额外贡献，为超对称搜索和模型验证提供新信号。