[论文解读] Muon g-2 and a type-X two Higgs doublet scenario: some studies in high-scale validity

Atri Dey, Jayita Lahiri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了通过轻量赝标介子实现观测到的μ子反常磁矩（$g-2$）的Type-X两希格斯双重模型（2HDM）在高能尺度下的有效性。利用两圈跑动的微扰规范群方程，识别出在$\tan\beta$较大且非标准模型标量质量简并的参数区域中，微扰幺正性和真空稳定性可维持至普朗克尺度，表明该$g-2$相容的场景具有紫外完备的紫外完成可能性。

ABSTRACT

We study the high-scale validity of a Type-X two Higgs doublet scenario which provides an explanation of the observed value of muon $(g-2)$. This region admits of a pseudoscalar physical state, which is well below the observed 125-GeV scalar in mass. A second neutral scalar particle can be both above and below 125 GeV in such a scenario. Admissible regions in the parameter space are obtained by using the most recent data on muon $(g-2)$, theoretical constraints such as low-scale perturbativity and vacuum stability, and also all experimental constraints, including the available LHC results. Among other things, both the aforesaid orders of CP-even neutral scalar masses are included in our benchmark studies. Two-loop renormalisation group equations are used to predict the values of various couplings at high scales, and the regions in the space spanned by low-scale parameters, which retain perturbative unitarity as well as vacuum stability upto various scales are identified. We thus conclude that such a scenario, while successfully explaining the observed muon $(g-2)$, can be valid upto energy scales ranging from $10^{4}$ GeV to the Planck scale, thus opening up directions of thought on its ultraviolet completion.

研究动机与目标

• 评估通过轻量赝标介子实现观测到的μ子反常磁矩（$g-2$）的Type-X 2HDM在高能尺度下的有效性。
• 识别满足低能微扰性、真空稳定性及所有实验约束（包括LHC对$h_{SM} \to AA$分支比的限制）的可行参数区域。
• 确定此类与$g-2$相容的模型是否可在高能尺度（包括普朗克尺度）维持微扰性与稳定性。
• 探讨紫外完成的含义，特别是规范耦合统一性、$\tan\beta$、Yukawa耦合符号及标量质量简并性的作用。
• 比较一阶与两圈跑动规范群方程的影响，确认结果在定性上的稳健性。

提出的方法

• 利用两圈跑动规范群方程（RGEs）从电弱尺度演化四次耦合常数至高能尺度。
• 施加理论约束：低能微扰幺正性、真空稳定性及标量势的树图正定性。
• 整合实验约束：最新$g-2$测量结果在3σ偏差范围内，LHC对$h_{SM} \to AA$分支比的限制，以及赝标介子质量$m_A < 100$ GeV。
• 在四种情形下扫描参数空间：将125 GeV的希格斯粒子视为较轻或较重的CP偶标量，并考虑右符号与错误符号Yukawa耦合。
• 使用基准点研究四次耦合常数（$\lambda_1, \lambda_2, \lambda_3, \lambda_4, \lambda_5$）在RGE演化下的行为，识别出高能尺度有效性的区域。
• 比较一阶与两圈RGE结果，以确认关键控制参数（如$\lambda_1$与$\lambda_5$）的定性稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$m_A \lesssim 100$ GeV的轻量赝标介子下，Type-X 2HDM能否成功解释观测到的μ子$g-2$偏差，同时与所有LHC及电弱实验约束保持一致？
• RQ2 在Type-X 2HDM中，哪些参数区域可使微扰幺正性与真空稳定性维持至高能尺度（包括普朗克尺度）？
• RQ3 非标准模型标量的质量与$\tan\beta$的取值如何影响模型的高能尺度有效性？
• RQ4 四次耦合常数$\lambda_1$、$\lambda_5$与$\lambda_2$在决定模型紫外行为方面起什么作用，且它们如何受$g-2$与$BR(h_{SM} \to AA)$约束的影响？
• RQ5 该模型的高能尺度有效性是否依赖于125 GeV希格斯粒子为较轻或较重的CP偶标量？这又如何影响其紫外完成的可能性？

主要发现

• 该模型可通过大$\tan\beta > 20$解释观测到的μ子$g-2$偏差，这与$g-2$数据一致，但与高能尺度有效性产生张力。
• 在电弱尺度四次耦合常数较小的区域表现出更高的高能尺度有效性，可延伸至普朗克尺度，尤其当非标准模型标量质量简并且接近125 GeV时。
• $\lambda_1$与$\lambda_5$是决定高能行为的主要驱动力，且受$g-2$或$BR(h_{SM} \to AA)$约束的影响极小。
• $\lambda_2$受$g-2$与$BR(h_{SM} \to AA)$强烈约束，但在决定高能尺度有效性方面作用微弱。
• 当非标准模型标量质量接近125 GeV且近乎简并时，高能尺度有效性最有利，尤其在125 GeV态为较重CP偶标量的情形下。
• 当125 GeV希格斯粒子为较轻CP偶标量（情形1）时，高能尺度有效性最差；而情形3与4（非标准模型标量较轻）则表现出可延伸至普朗克尺度的有效性。