[论文解读] Off-diagonal terms in Yukawa textures of the Type-III 2-Higgs doublet model and light charged Higgs boson phenomenology

J. Hernández-Sánchez, Stefano Moretti+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用 6

一句话总结

本文研究了具有四零 Yukawa 纹理的 Type-III 2-Higgs 双重态模型（2HDM-III），表明非对角项允许一个轻量级带电 Higgs 玻色子（$H^\to$），其主导衰变模式为 $H^\to c\bar{b}$。尽管受到严格的 $B$-物理约束，该模型仍容许较大的 $H^\to c\bar{b}$ 耦合，从而在 14 TeV 下通过 $c\bar{b} \to H^\to \to \tau^+\nu$ 和 $t \to bH^\to$ 产生过程展现出显著的 LHC 发现潜力。

ABSTRACT

We discuss flavor-violating constraints and consequently possible charged Higgs boson phenomenology emerging from a four-zero Yukawa texture embedded within the Type-III 2-Higgs Doublet Model (2HDM-III). Firstly, we show in detail how we can obtain several kinds of 2HDMs when some parameters in the Yukawa texture are absent. Secondly, we present a comprehensive study of the main B-physics constraints on such parameters induced by flavor-changing processes, in particular on the off-diagonal terms of such a texture: i.e., from $μ-e$ universality in $τ$ decays, several leptonic B-decays ($B o τν$, $D o μν$ and $D_s o {l} ν$), the semi-leptonic transition $B o D τν$, plus $B o X_s γ$, including $B^0-\bar B^0$ mixing, $B_s o μ^+ μ^-$ and the radiative decay $Z o b \bar{b}$. Thirdly, having selected the surviving 2HDM-III parameter space, we show that the $H^- c \bar{b}$ coupling can be very large over sizable expanses of it, in fact, a very different situation with respect to 2HDMs with a flavor discrete symmetry (i.e., ${\mathcal{Z}}_2$) and very similar to the case of the Aligned-2HDM (A2HDM) as well as of models with three or more Higgs doublets. Fourthly, we study in detail the ensuing $H^\pm$ phenomenology at the Large Hadron Collider (LHC), chiefly the $c\bar b o H^+$ production mode and the $H^+ o c\bar b$ decay channel while assuming $τ^+ν_τ$ decays in the former and $t o bH^+$ production in the latter, showing that significant scope exists in both cases.

研究动机与目标

• 分析在具有四零纹理的 Type-III 2HDM 中，非对角 Yukawa 项对味改变过程的约束。
• 在施加 $B$-物理可观测量约束后，确定 2HDM-III 模型的可行参数空间。
• 探索在剩余参数空间中轻量级带电 Higgs 玻色子（$H^\to$）的理论现象学。
• 评估通过 $c\bar{b}$ 融合与顶夸克衰变模式在 LHC 上发现 $H^\to$ 的潜力。
• 比较 2HDM-III 中的 $H^\to c\bar{b}$ 耦合强度与其他 2HDM 变体及多 Higgs 模型中的情况。

提出的方法

• 推导具有四零纹理的 Type-III 2HDM 中 Yukawa 拉格朗日量的一般形式，通过强制 $g_{ij} \propto \sqrt{m_i m_j} \chi_{ij}$ 来建模味结构。
• 应用味守恒与味改变的 $B$-物理约束：$\tau$ 电荷衰变中的 $\mu$-$e$ 统一性、$B \to \tau\nu$、$D \to \mu\nu$、$D_s \to l\nu$、$B \to D\tau\nu$、$B \to X_s\gamma$、$B^0$-$\bar{B}^0$ 混合、$B_s \to \mu^+\mu^-$ 以及 $Z \to b\bar{b}$。
• 对模型参数进行全局拟合，以识别参数空间中的可行区域。
• 评估在剩余参数空间中 $H^\to c\bar{b}$ 耦合强度，发现其分支比最高可达 90%。
• 模拟 LHC 上 $c\bar{b} \to H^\to \to \tau^+\nu$ 与 $t \to bH^\to \to c\bar{b}$ 的产生过程，计算作为亮度函数的信号显著性。
• 评估 $\sqrt{s} = 8$ 和 $14$ TeV 下的发现能力，基于显著性 $S/\sqrt{B}$，并考虑 $\tau$-轻子识别效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四零纹理下，2HDM-III 中的非对角 Yukawa 项如何影响味改变过程？
• RQ2 哪些 $B$-物理可观测量对具有四零 Yukawa 纹理的 2HDM-III 参数空间约束最强？
• RQ3 在满足所有 $B$-物理约束的前提下，2HDM-III 中的轻量级带电 Higgs 玻色子能否具有主导的 $H^\to c\bar{b}$ 衰变模式？
• RQ4 通过 $c\bar{b}$ 融合与顶夸克衰变模式在 LHC 上发现 $H^\to$ 的潜力如何？在何种亮度下可实现发现？
• RQ5 2HDM-III 中的 $H^\to c\bar{b}$ 耦合与 ${\mathcal{Z}}_2$-对称 2HDM、对齐或多重 Higgs 模型中的情况相比如何？

主要发现

• 具有四零 Yukawa 纹理的 2HDM-III 允许一个轻量级带电 Higgs 玻色子，其 $H^\to c\bar{b}$ 分支比高达 90%，显著高于 ${\mathcal{Z}}_2$-对称模型。
• 尽管受到严格 $B$-物理约束（包括 $B \to X_s\gamma$、$B^0$-$\bar{B}^0$ 混合与 $B_s \to \mu^+\mu^-$），仍存在大范围的可行参数空间。
• 2HDM-III 中的 $H^\to c\bar{b}$ 耦合与对齐 2HDM 及具有三个或更多 Higgs 双重态的模型相当，从而支持强产生与衰变信号。
• 对于 $H^\to$ 质量为 80、120 和 160 GeV 的情况，$c\bar{b} \to H^\to \to \tau^+\nu$ 信号在 8 和 14 TeV LHC 运行下分别达到 2、3 和 5 的显著性水平，且在可访问亮度下成立。
• 在 $m_{H^\to} \geq 120$ GeV 且应用 $b$-标签的情况下，$c\bar{b}$ 融合发现 $H^\to$ 在 8 TeV 下可行，且在 14 TeV 下完全覆盖。
• 由于对 $H^\to$ 衰变产物进行 $b$-标签，$t \to bH^\to$ 衰变模式对小分支比具有增强的灵敏度，优于当前未使用此技术的 LHC 搜索。