[论文解读] Muon $g-2$ in a two-Higgs-doublet model with a type-II seesaw mechanism

Chuan-Hung Chen, Cheng-Wei Chiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Computational Physics and Python Applications被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种具有类型-II seesaw机制的两Higgs-doublet模型，以解释μ子的$g-2$异常，同时满足Higgs信号强度约束。研究表明，涉及具有显著真空期望值（VEV）的重Higgs三重态的两圈Barr-Zee图可以产生对$a_\mu$的大贡献，从而在不需轻的奇异标量的情况下，实现$\mathcal{O}(100)$ GeV量级的新物理，并预测了双电荷Higgs玻色子的新衰变模式，这些模式需要新的LHC搜索策略。

ABSTRACT

We study the two-Higgs-doublet model with type-II seesaw mechanism. In view of constraints from the Higgs data, we consider the aligned two-Higgs-doublet scheme and its effects on muon anomalous magnetic dipole moment, $a_μ$, including both one-loop and two-loop Barr-Zee type diagrams. Thanks to a sizable trilinear scalar coupling, the Barr-Zee type diagrams mediated by the Higgs triplet fields have a dominant effect on $a_μ$. In particular, unlike the usual two-Higgs-doublet models that require exotic Higgs bosons light in mass, the masses of the corresponding particles in the model are of ${\cal O}(100)$~GeV. The doubly-charged Higgs boson presents a different decay pattern from the usual Higgs triplet model and thus calls for a new collider search strategy, such as multi-$τ$ searches at the LHC.

研究动机与目标

• 通过扩展的标量 sector 解决μ子反常磁矩（$a_\mu$）长期存在的$3.7\sigma$差异。
• 构建一个满足LHC对Higgs信号强度严格约束的同时，允许$\mathcal{O}(100)$ GeV量级新物理的模型。
• 通过Higgs三重态实现类型-II seesaw机制，自然生成轻子中微子质量。
• 探讨三线性标量耦合和圈图贡献在不需轻的奇异标量的情况下生成大$a_\mu$的作用。
• 识别新的对撞机信号，特别是双电荷Higgs玻色子的信号，这些信号可规避现有LHC限制并需要新的搜索策略。

提出的方法

• 采用对齐的两Higgs-doublet方案（A2HDS），其中一个物理Higgs玻色子为SM类似，确保与Higgs信号数据兼容。
• 引入复Higgs三重态以实现类型-II seesaw机制，通过破坏轻子数的耦合生成中微子的Majorana质量。
• 计算涉及Higgs三重态以及中性与带电Higgs态的圈图（一环和两环）对$a_\mu$的贡献。
• 从Higgs基中的标量势推导出中性Higgs玻色子（$h$, $H$）与带电Higgs态（$\delta^{\pm\pm}$, $\delta^{\pm}$, $H^{\pm}$）之间的三线性耦合。
• 利用质量关系和混合模式，证明在$v_\Delta$的主导阶下，$h$和$H$态与$\delta^0$态解耦，从而简化分析。
• 分析Higgs三重态的质量谱和衰变模式，特别是双电荷Higgs玻色子，以识别新的LHC搜索通道，如多$\tau$末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有类型-II seesaw机制的两Higgs-doublet模型能否在与LHC Higgs信号数据一致的前提下，产生足够大的$ a_\mu $贡献？
• RQ2 当新标量质量为$\mathcal{O}(100)$ GeV时，涉及Higgs三重态的两圈Barr-Zee图在增强$ a_\mu $方面起到什么作用？
• RQ3 Higgs三重态中多个破坏轻子数的参数的存在如何影响真空期望值（VEV）及其结果的理论物理现象？
• RQ4 该模型中双电荷Higgs玻色子的特征衰变模式是什么？与标准Higgs三重态模型有何不同？
• RQ5 该模型能否规避现有LHC对双电荷Higgs玻色子的限制，特别是成对产生下的350 GeV下限？需要何种新的搜索策略？

主要发现

• 由Higgs三重态场介导的两圈Barr-Zee图主导了对$a_\mu$的贡献，即使较重的中性Higgs玻色子为$\mathcal{O}(100)$ GeV，也能产生显著偏离。
• 由于Higgs三重态与中性Higgs玻色子之间存在显著的三线性耦合，且该耦合受三重态VEV增强，因此模型能产生显著的$a_\mu$贡献。
• 与传统2HDM需要低于10 GeV的奇异标量不同，该模型允许在$\mathcal{O}(100)$ GeV量级实现新物理，同时满足LHC对Higgs信号强度的约束。
• 该模型中的双电荷Higgs玻色子具有比标准Higgs三重态模型更丰富的衰变模式，包括$\tau\tau$、$\tau\mu$和$\tau e$末态衰变，这是由于标量场的扩展。
• 该模型通过允许涉及轻带电Higgs玻色子的衰变，规避了当前ATLAS对双电荷Higgs玻色子350 GeV的下限限制，因此需要新的搜索策略，如LHC上的多$\tau$末态。
• 三线性耦合$\lambda_{h\delta^{--}\delta^{++}} = \Lambda_8$、$\lambda_{H\delta^{-}\delta^{+}} = -\Lambda_{12} - \frac{\Lambda'_{12}}{2}$和$\lambda_{hH^{-}H^{+}} = \Lambda_3$是圈图诱导的$a_\mu$贡献的关键，且这些耦合从Higgs基中的标量势中推导得出。