[论文解读] Prospects of light charged scalars in a three Higgs doublet model with $Z_3$ symmetry

Manimala Chakraborti, Dipankar Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 5

一句话总结

本文研究了在对齐极限下具有 $Z_3$ 对称性的三Higgs双峰模型（3HDM），表明由于与双Higgs双峰模型（Type-II 2HDM）相比，带电Higgs粒子的耦合存在额外抑制，其味物理约束显著放松。因此，带电Higgs质量低至 $\mathcal{O}(200~\text{GeV})$ 仍可接受，同时与LHC的精确测量结果和二光子衰变率保持一致。

ABSTRACT

The stringent constraints from the direct searches for exotic scalars at the LHC as well as indirect bounds from flavor physics measurements have imposed severe restrictions on the parameter space of new physics models featuring extended Higgs sectors. In the Type-II 2HDM, this implies a lower bound on the charged Higgs masses of $\cal O$(600 GeV). In this work we analyze the phenomenology of a Z3HDM in the alignment limit focusing on the impact of flavor physics constraints on its parameter space. We show that the couplings of the two charged Higgs bosons in this model feature an additional suppression factor compared to Type-II 2HDM. This gives rise to a significant relaxation of the flavor physics constraints in this model, allowing the charged Higgs masses to be as low as $\cal O$(200 GeV). We also consider the constraints coming from precision electroweak observables and the observed diphoton decay rate of the 125 GeV Higgs boson at the LHC. The bounds coming from the direct searches of nonstandard Higgs bosons at the LHC, particularly those from resonance searches in the ditau channel, prove to be very effective in constraining this scenario further.

研究动机与目标

• 研究在对齐极限下具有 $Z_3$ 对称性的三Higgs双峰模型（3HDM）的理论现象学，其中最轻的CP偶性Higgs粒子与125 GeV的SM型Higgs相似。
• 评估味物理约束（特别是来自 $b \to s\gamma$ 和 $B_q$ 混合）对模型参数空间的影响。
• 确定由于两个带电Higgs粒子的耦合受到抑制，其质量是否可低于双Higgs双峰模型（Type-II 2HDM）中的质量。
• 评估精确电弱可观测量和LHC中125 GeV Higgs粒子的二光子衰变率对模型可行参数空间的影响。
• 分析直接LHC共振搜索（特别是 $\tau\tau$ 末态）对本模型中轻量带电标量可行参数空间的影响。

提出的方法

• 该模型采用具有三个Higgs双峰的 $Z_3$ 对称性3HDM，通过真空期望值和混合角的解析条件强制实现对齐极限。
• Yukawa耦合结构设计为：与Type-II 2HDM相比，带电Higgs与费米子的耦合因 $\tan\beta_1$、$\tan\beta_2$ 和 $\gamma_2$ 的相互作用而获得额外抑制因子。
• 利用包含两个带电Higgs态的单圈盒图，计算味可观测量如 $b \to s\gamma$ 分支比和 $B_q$ 混合（$\Delta M_{B_q}$），其中圈函数 $I_1$ 和 $I_2$ 由有效拉格朗日量推导得出。
• 通过带电Higgs圈贡献评估125 GeV Higgs的二光子衰变率，确保与观测到的 $125~\text{GeV}$ 信号强度一致。
• 将 $\rho$-参数约束和直接LHC搜索（特别是 $\gamma\gamma$ 和 $\tau\tau$ 最终态）应用于参数空间。
• 对模型参数（包括 $m_{H^+}$、$\tan\beta_1$、$\tan\beta_2$ 和 $\gamma_2$）进行数值扫描，以识别满足所有实验约束的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有两个带电Higgs粒子的 $Z_3$ 对称性3HDM中，能否容纳低于600 GeV的轻量带电Higgs质量，同时满足味物理约束？
• RQ2 与双Higgs双峰模型（Type-II 2HDM）相比，该3HDM模型中带电Higgs耦合的额外抑制因子如何影响来自 $b \to s\gamma$ 和 $B_q$ 混合的约束？
• RQ3 精确电弱测量和125 GeV Higgs粒子的二光子衰变率对模型可行参数空间有何影响？
• RQ4 直接LHC搜索（特别是 $\tau\tau$ 末态）在约束本模型中轻量带电标量的参数空间方面有多大的有效性？
• RQ5 在保持与所有低能和高能实验数据一致的前提下，$Z_3$ 对称性3HDM能否一致地实现对齐极限？

主要发现

• 由于 $\tan\beta_1$、$\tan\beta_2$ 和 $\gamma_2$ 的相互作用而产生的额外抑制因子，显著放松了味物理约束，与双Higgs双峰模型（Type-II 2HDM）相比。
• 因此，带电Higgs质量低至 $\mathcal{O}(200~\text{GeV})$ 是允许的，而双Higgs双峰模型（Type-II 2HDM）通常的下限为 $\mathcal{O}(600~\text{GeV})$。
• 由于Yukawa耦合的对称结构和对齐极限，$\rho$-参数约束可自动满足。
• 125 GeV Higgs的二光子衰变率与LHC观测值一致，带电Higgs圈修正仍在实验允许范围内。
• 直接LHC搜索（特别是 $\tau\tau$ 共振末态）提供了强有力的约束，排除了参数空间的大部分区域，尤其在 $m_{H^+} \lesssim 300~\text{GeV}$ 时。
• 综合味物理、精确电弱可观测量、二光子衰变和直接搜索的约束，只要适当调节 $\tan\beta_1$ 和 $\tan\beta_2$，即可获得包含轻量带电Higgs的可行参数空间。