[论文解读] Lepton-Specific Two Higgs Doublet Model as a Solution of Muon $g-2$ Anomaly

Tomohiro Abe, Ryosuke Sato+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 11

一句话总结

本文提出自费米子特异型（Type-X）的两Higgs双重模型（2HDM）作为解决μ子反常磁矩$g-2$异常的方案，表明额外Higgs玻色子的圈图贡献可将实验结果与标准模型之间的差异降低至2$\sigma$水平。该研究纳入了$\tau$轻子衰变、味物理及跑代群演化（RGE）的约束，发现与当前数据和未来LHC搜索相容的可行参数区域。

ABSTRACT

We discuss the Type-X (lepton-specific) two Higgs doublet model as a solution of the anomaly of the muon $g-2$. We consider various experimental constraints on the parameter space such as direct searches for extra Higgs bosons at the LEP II and the LHC Run-I, electroweak precision observables, the decay of $B_s o μ^+μ^-$, and the leptonic decay of the tau lepton. We find that the measurement of the tau decay provides the most important constraint, which excludes the parameter region that can explain the muon $g-2$ anomaly at the 1$σ$ level. We then discuss the phenomenology of extra Higgs bosons and the standard model-like Higgs boson ($h$) to probe the scenario favored by the $g-2$ data at the collider experiments. We find that the $4τ$, $3τ$ and $4τ+ W/Z$ signatures are expected as the main signal of the extra Higgs bosons at the LHC. In addition, we clarify that the value of the $hττ$ coupling is predicted to be the standard model value times about $-1.6$ to $-1.0$, and the branching fraction of the $h o γγ$ mode deviates from the standard model prediction by $-30\%$ to $-15\%$. Furthermore, we find that the exotic decay mode, $h$ decaying into the $Z$ boson and a light CP-odd scalar boson, is allowed, and its branching fraction can be a few percent. These deviations in the property of $h$ will be tested by the precision measurements at future collider experiments.

研究动机与目标

• 研究自费米子特异型（Type-X）2HDM是否能在标准模型之外解决长期存在的μ子$g-2$异常问题。
• 纳入此前类似分析中被忽略的轻子$\tau$衰变的严格约束。
• 评估在跑代群演化（RGEs）下的可行性，确保四次耦合在10 TeV量级仍保持微扰性。
• 探索对撞机信号，包括$h \to ZA$和奇异Higgs衰变，以供未来LHC发现。

提出的方法

• 在Type-X 2HDM中进行μ子反常磁矩($a_\mu$)的一圈计算，包含来自$A$和$H^\pm$玻色子的两圈Barr-Zee贡献。
• 在一圈水平上评估$Z\tau\tau$顶点和轻子$\tau$衰变率，利用精确的实验数据对模型施加约束。
• 应用跑代群方程（RGEs）将标量四次耦合演化至10 TeV，确保微扰性和幺正性。
• 整合来自LEP II、LHC Run-I、$B_s \to \mu^+\mu^-$衰变及电弱精确观测量的约束。
• 使用有效耦合和亮度函数，对LHC中Higgs粒子对产生（$HA$、$H^+H^-$、$H^+A$）的 parton-level 截面进行模拟。
• 分析$h \to ZA$衰变分支比，将其识别为检验该模型的关键信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 Type-X 2HDM能否在满足所有当前约束的前提下，将$g-\!2$差异降低至实验值的2$\sigma$范围内？
• RQ2 在$g-2$异常背景下，轻子$\tau$衰变如何约束Type-X 2HDM的参数空间？
• RQ3 跑代群演化对模型中标量扇区的稳定性和微扰性有何影响？
• RQ4 在$g-2$有利的参数区域内，额外Higgs玻色子的主要对撞机信号是什么？
• RQ5 $h \to ZA$衰变模式能否作为该模型在LHC上的独特信号？

主要发现

• Type-X 2HDM可将$g-\!2$差异降低至2$\sigma$水平，但无法低于1$\sigma$，这是由于圈图贡献与约束之间的相互作用所致。
• 引入轻子$\tau$衰变约束显著限制了可行参数空间，尤其对大$\tan\beta$和轻$A$玻色子情形。
• 在RGE演化下，只要标量四次耦合不引发Landau极点，该模型在10 TeV量级仍保持微扰性。
• 在有利区域内，$h \to ZA$的分支比可达到百分之几，提供独特的对撞机信号。
• 当$m_A \lesssim m_h/2$时，$h \to ZA$衰变被增强，使其成为LHC上发现的有希望通道。
• 该模型预测$h$与$\gamma\gamma$、$ZZ$、$WW$及$\tau\tau$的耦合存在可观测偏差，可在当前及未来的LHC运行中进行检验。