[论文解读] Large pseudo-scalar components in the C2HDM

Duarte Fontes, Jorge C. Romão+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文研究了复杂两希格斯双重模型（C2HDM）中，底夸克和轻子的Yukawa耦合的标量分量为零、而CP奇性（赝标量）分量占主导地位以重现观测到的希格斯信号强度的情形。基于LHC运行2的预测，文章认为通过角观测量（如$\phi_\tau$）直接测量赝标量与标量耦合比值，是区分此类情形与标准模型（SM）的关键，尤其是在电偶极矩（EDM）约束下。

ABSTRACT

We discuss the CP nature of the Yukawa couplings of the Higgs boson in the framework of a complex two Higgs doublet model (C2HDM). After analysing all data gathered during the Large Hadron Collider run 1, the measurement of the Higgs couplings to the remaining SM particles already restricts the parameter space of many extensions of the SM. However, there is still room for very large CP-odd Yukawa couplings to light quarks and leptons while the top-quark Yukawa coupling is already very constrained by current data. Although indirect measurements of electric dipole moments play a very important role in constraining the pseudo-scalar components of the Yukawa couplings, we argue that a direct measurement of the ratio of pseudoscalar to scalar couplings should be one of the top priorities for the LHC run 2.

研究动机与目标

• 探索复杂两希格斯双重模型（C2HDM）中，轻费米子的Yukawa耦合标量分量为零的情形。
• 评估此类情形在当前LHC数据和未来运行2精度测量下的可行性。
• 识别关键可观测量——尤其是$\phi_\tau$等角参数——以直接探测希格斯耦合中的赝标量主导现象。
• 评估LHC信号强度测量与电偶极矩（EDM）约束之间的相互作用，以区分这些非标准模型类希格斯耦合。
• 主张将赝标量-标量耦合比的直接实验测量作为LHC运行2的首要任务。

提出的方法

• 该研究采用C2HDM中的希格斯基，通过旋转矩阵$R$对中性希格斯质量矩阵进行对角化，将$h_1$识别为类标准模型的希格斯玻色子。
• 利用角度$\phi_D$和$\phi_\tau$对Yukawa耦合进行参数化，这些角度编码了费米子耦合中赝标量与标量分量的比值。
• 使用$h \to WW,\,ZZ,\,\gamma\gamma,\,\tau^+\tau^-$的信号强度作为所有衰变模式的代理，预期在$\sqrt{s} = 13$ TeV下的精度分别为10%和5%。
• 分析中纳入了电偶极矩（EDM）约束，特别是ACME合作组的结果，考虑了多标量贡献中可能存在的部分抵消。
• 通过$\tau^+\tau^-$和$bbh$末态中的角观测量，评估$(a_D, b_D) = (1,0)$（类SM）与$(0,1)$（纯赝标量）情形的可区分性。
• 在类型II、翻转型和Lee标量（LS）Yukawa结构下测试该模型，重点关注标量耦合为零的参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 C2HDM能否在底夸克和轻子的Yukawa耦合中标量分量为零的同时，重现LHC观测到的希格斯信号强度？
• RQ2 为区分纯赝标量耦合与类SM的标量耦合，$\tau^+\tau^-h$顶点角$\phi_\tau$需精确测量到何种程度？
• RQ3 电偶极矩（EDM）约束在限制具有大赝标量分量的模型参数空间方面起什么作用？
• RQ4 在哪些Yukawa类型中（如类型II、翻转型）可利用$bbh$顶点探测标量分量消失的情形？
• RQ5 未来LHC精度测量与EDM约束如何共同限制具有主导赝标量耦合的C2HDM参数空间？

主要发现

• 只要赝标量分量非零且与观测到的信号强度匹配，类标准模型的希格斯玻色子在对$b$夸克和$\tau$轻子的Yukawa耦合中可具有零标量分量。
• 即使精度仅为10%，对$\phi_\tau$的测量也能有效区分$(a_D, b_D) = (1,0)$类SM情形与$(0,1)$纯赝标量情形。
• 在翻转型模型中，唯有通过$bbh$顶点直接测量$\phi_D$才能探测标量分量消失的情形，因为$\tau^+\tau^-$通道对此不敏感。
• 在当前EDM约束下，具有大赝标量分量的C2HDM参数空间依然可行，特别是当标量贡献之间存在部分抵消时。
• 未来LHC运行2数据若能将信号强度精度控制在10%或5%，将能强有力地区分费米子耦合中的标量与赝标量主导现象。
• 未来直线对撞机有望进一步探测这些情形，特别是通过Higgs耦合的高精度测量。