[论文解读] Lepton-specific inert two-Higgs-doublet model confronted with the new results for muon and electron g-2 anomalies and multi-lepton searches at the LHC

Xiao-Fang Han, Tianjun Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 15

一句话总结

本文提出了一种轻子特异的惰性两希格斯双重模型，其中一个轻的CP偶性希格斯玻色子（5–35 GeV）介导轻子特异的 Yukawa 耦合，以同时解释μ子和电子的 $g-2$ 异常。通过调节 Yukawa 耦合 $κ_\mu$、$κ_e$ 和 $κ_\tau$，使μ子与电子/τ子的符号相反，该模型能够同时拟合 $g-2$ 异常和τ衰变中的轻子普遍性，同时在 $m_h < 35$ GeV 区域内仍满足LHC多轻子搜索的约束条件。

ABSTRACT

Combining the multi-lepton searches at the LHC, we study the possibilities of accommodating the new data of muon and electron $g-2$ anomalies in the lepton-specific inert two-Higgs-doublet model. We take the heavy CP-even Higgs as the 125 GeV Higgs, and find the muon and electron $g-2$ anomalies can be explained simultaneously in the region of 5 GeV $&lt; m_h&lt;60$ GeV, 200 GeV $

研究动机与目标

• 为同时解释μ子和电子 $g-2$ 异常，这些异常在偏离标准模型时符号相反。
• 探索一种轻子特异的惰性两希格斯双重模型，其中轻的CP偶性希格斯 $h$ 的质量小于125 GeV的标准模型类希格斯。
• 评估该模型在严格LHC多轻子搜索约束下的可行性，特别是针对 $h$ 质量低于35 GeV的情况。
• 通过引入 $Z_2$ 破坏的 Yukawa 耦合，改善模型对 $\tau$ 衰变中轻子普遍性的拟合。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上引入一个在 $Z_2$ 对称性下的惰性希格斯双重态，其中仅标准模型类希格斯 $H$ 获得真空期望值。
• 在惰性希格斯双重态与带电轻子之间引入 Yukawa 耦合，通过调节 $κ_\mu$、$κ_e$ 和 $κ_\tau$ 的符号相反，以解释 $g-2$ 异常。
• 理论约束包括树图级对 $\tau$ 衰变普遍性、$Z$ 玻色子衰变以及 $χ^2_{\tau}$ 对 $\tau$ 衰变数据的拟合。
• 在 $m_h$、$m_A$、$m_{H^\pm}$ 和 Yukawa 耦合的参数空间中进行数值扫描，约束条件包括 $g-2$ 异常、$χ^2_{\tau}$ 和LHC多轻子搜索。
• 计算了 $A$ 和 $H^\pm$ 的产生与衰变率，在低 $m_h$ 区域，主导衰变模式为 $A/H^\pm \to hZ/W^\pm$。
• 将模型与LHC 95%置信水平的多轻子末态排除限值进行对比，特别关注 $h$ 衰变为喷流状 $\tau$ 对的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子特异的惰性2HDM能否在 $m_h < 35$ GeV 范围内，同时解释 $4.2\sigma$ 的μ子 $g-2$ 异常和 $2.4\sigma$ 的电子 $g-2$ 异常，且其偏离符号相反？
• RQ2 质量低于35 GeV的轻CP偶性希格斯 $h$ 如何影响该模型在LHC多轻子搜索约束下的可行性？
• RQ3 该模型能否在拟合 $\tau$ 衰变中轻子普遍性方面优于标准模型？
• RQ4 满足所有实验约束的 Yukawa 耦合 $\kappa_\mu$、$\kappa_e$ 和 $\kappa_\tau$ 的允许范围是什么？
• RQ5 为何尽管存在轻的 $h$ 玻色子，$m_h < 35$ GeV 区域仍能规避LHC多轻子搜索？

主要发现

• μ子和电子的 $g-2$ 异常可在参数区域 $5~{\rm GeV} < m_h < 35~{\rm GeV}$、$200~{\rm GeV} < m_A < 620~{\rm GeV}$ 和 $190~{\rm GeV} < m_{H^\pm} < 620~{\rm GeV}$ 内同时得到解释。
• 该模型对 $\tau$ 衰变中轻子普遍性的拟合优于标准模型，$χ^2_{\tau}$ 最低可达7.4，显著低于标准模型的12.3。
• LHC多轻子搜索对 $m_h$ 施加了严格的上限 $m_h < 35~{\rm GeV}$，最可行的区域在 $m_h < 20~{\rm GeV}$，此时 $h$ 衰变的粒子动量较软且呈喷流状。
• Yukawa 耦合被约束在 $15 < -\kappa_\mu < 90$、$5 < \kappa_\tau < 50$ 和 $160 < \kappa_e < 500$ 范围内，以满足所有约束。
• 当 $m_h < 20~{\rm GeV}$ 时，$A/H^\pm \to hZ/W^\pm$ 衰变模式占主导，且 $h$ 介导的 $\tau$ 对呈喷流状，难以探测，从而降低了LHC的灵敏度。
• $\chi^2_{\tau}$ 最小化至11.5（当 $m_{H^\pm} \sim 200~{\rm GeV}$ 时），表明相比标准模型的12.3有明显改善。