[论文解读] Mass Terms in Two-Higgs Doublet Models

Rui Santos, Sancho Oliveira+1 more|ArXiv.org|Dec 14, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文分析了在CP不变、可重整化的两希格斯双重模型（THDM）中，不同质量项如何在相似的理论框架下导致显著不同的物理预测。通过系统地添加或移除Z₂或全局U(1)对称性下的两类主要THDM模型的二维项，研究表明此类修改在圈修正过程（特别是顶夸克衰变宽度和希格斯粒子衰变为二光子）中引起显著差异，尤其在费米子禁闭情形下，增强幅度可达四倍。

ABSTRACT

We take a closer look at the mass terms of all renormalizable and CP conserving two-Higgs doublet models (THDM). We show how some of the dimension two parameters in the potential can be set equal to zero leading to relations among the tree-level parameters of the potential. The different versions of the THDM obtained give rise to different amplitudes for physical processes. We will illustrate this with two examples. The first one is the one-loop weak correction to the top decay width, t -> b W. The second one is the decay h -> gamma gamma in the fermiophobic limit.

研究动机与目标

• 研究在可重整化、CP不变的两希格斯双重模型（THDM）中，添加或移除质量项的物理后果。
• 阐明不同对称结构（Z₂或全局U(1)）及其通过质量项实现的软性破缺，如何影响标量 sector 参数与物理振幅。
• 证明标量势中看似微小的改变，会导致圈修正过程（如顶夸克衰变与希格斯二光子衰变）中可观测的差异。
• 分析约束型THDM变体中的费米子禁闭极限，并量化与标准模型相比希格斯衰变宽度的偏离程度。

提出的方法

• 推导出包含所有可能二维质量项的最一般CP不变、可重整化双希格斯双重标量势。
• 将模型分为两类主要类型：$V_A$（Z₂对称）与$V_B$（U(1)对称），并通过设定特定质量项为零来研究其变体。
• 应用真空稳定性和CP不变最小值条件，排除非物理构型，特别是强制要求$\mu_4^2 = 0$以防止自发CP破坏。
• 利用修改后的标量势参数，计算顶夸克衰变$t \to bW$的一圈修正，重点比较$V_A$与$V_B$类型之间的差异。
• 在费米子禁闭极限下分析$h \to \gamma\gamma$衰变振幅，强调$hH^+H^-$顶点的作用，该顶点在$V_A$与$V_B$模型中有所不同。
• 引入无量纲比值$R_A$与$R_B$，以量化相对于标准$V_A$与$V_B$模型的$h \to \gamma\gamma$衰变宽度的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两希格斯双重标量势中，特定质量项的包含或排除如何影响圈修正过程的物理振幅？
• RQ2 在一圈水平下，$V_A$（Z₂对称）与$V_B$（U(1)对称）模型在顶夸克衰变宽度$\Gamma(t \to bW)$的预测上有多大差异？
• RQ3 是否可以在所有$V_A$与$V_B$模型变体中一致实现费米子禁闭的希格斯态？这些变体中$h \to \gamma\gamma$衰变率如何变化？
• RQ4 与标准$V_A$与$V_B$模型相比，约束型模型中$h \to \gamma\gamma$衰变宽度的增强或抑制程度有何定量限制？

主要发现

• 在约束型模型的某些参数区域中，顶夸克衰变宽度$t \to bW$的一圈修正可比标准模型预测增强高达十倍。
• 在费米子禁闭极限下，$h \to \gamma\gamma$衰变的比值$R_A$（相对于标准$V_A$）在$\beta = \pi/3$时达到约4，表明模型$V_A^{iii}$中存在显著增强。
• 在模型$V_B^{iii}$中，$h \to \gamma\gamma$的比值$R_B$在$M_h \approx 120\,\text{GeV}$且$\beta = \pi/3$时超过4，表明其偏离程度甚至大于$V_A^{iii}$。
• $hH^+H^-$顶点在费米子禁闭极限下控制$h \to \gamma\gamma$振幅，该顶点在$V_A$与$V_B$模型中本质不同，导致不同的衰变率预测。
• $V_A^{i}$与$V_A^{ii}$模型无法实现费米子禁闭希格斯：当$\alpha = \pi/2$时，分别导致$M_h$或$M_H$消失。
• 来自$\Delta\rho$与质量参数正定性的约束限制了可行参数空间，尤其在$V_B^{i,ii,iii}$模型中，排除了$\alpha$的某些范围。