[论文解读] The charged Higgs boson mass in the 2HDM: decoupling and CP violation

Maria Krawczyk, Dorota Sokołowska|ArXiv.org|Nov 30, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在存在显式与自发 CP 破坏的双 Higgs 双生模型（2HDM）中带电 Higgs 玻色子的质量，表明较大的 $ M_{H^{/pm}} $ 值（>600 GeV）是 $ Z_2 $ 对称性与 CP 破坏的强信号。研究确立了 $ M_{H^{/pm}} $ 受 $ \lambda_5 > \lambda_4 $ 与 $ \nu < \lambda_5 $ 的约束，并指出除非 $ \nu $ 较大，否则在退耦合极限下 $ M_{H^{/pm}} $ 被限制在约 700 GeV 以内。来自 $ b\to s\gamma $ 与 $ B\to\tau\nu $ 的实验约束表明，当 $ \tan\beta > 2 $ 时，$ M_{H^\pm} > 295 $ GeV（95% 置信水平）。

ABSTRACT

Mass range of the charged Higgs boson in the 2HDM with explicit and spontaneous CP violation is discussed. Constraints on M_H+ in the CP conserving 2HDM(II) are shown.

研究动机与目标

• 在显式与自发 CP 破坏条件下，研究双 Higgs 双生模型（2HDM）中带电 Higgs 玻色子 $ M_{H^{\pm}} $ 的质量范围。
• 分析 $ Z_2 $ 对称性破缺在实现 CP 破坏中的作用及其对 $ M_{H^{\pm}} $ 的影响。
• 利用实验数据（特别是 $ b\to s\gamma $ 与 $ B\to\tau\nu $ 衰变）确定对 $ M_{H^{\pm}} $ 的约束。
• 研究退耦合极限及其在 CP 破坏的 2HDM 情形下对 $ M_{H^{\pm}} $ 的影响。
• 评估真空期望值与 $ \nu = \Re(m_{12}^2)/(2v_1v_2) $ 之间的相互作用，及其对物理 Higgs 粒子质量的影响。

提出的方法

• 分析包含一般复参数 $ \lambda_{5-7}, m_{12}^2 \in \mathbb{C} $ 的 2HDM 潜能，以允许显式与自发 CP 破坏。
• 通过势能的一阶导数推导极值条件，从而对 $ u $、$ v_1 $、$ v_2 $ 与 $ \xi $（CP 破坏相位）施加约束。
• 利用重参数化不变性固定真空结构，其中 $ \nu = \Re(m_{12}^2)/(2v_1v_2) $ 是 CP 破坏的关键参数。
• 使用 $ M_{H^{\pm}}^2 = \frac{v^2}{2}(\lambda_5 - \lambda_4) $ 与 $ M_A^2 = v^2 \lambda_5 \sin^2\xi $ 计算物理 Higgs 粒子质量，其中 $ v = 246 $ GeV。
• 通过一阶圈图计算应用实验约束，涉及 $ b\to s\gamma $ 与 $ B\to\tau\nu $，并结合树图级 $ \tau $ 衰变。
• 在软破 $ Z_2 $ 对称性的假设下扫描参数空间，其中 $ \tan\beta = v_2/v_1 $、$ \alpha $ 与 $ \chi_V = \sin(\beta - \alpha) $ 为关键耦合参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有显式与自发 CP 破坏的 2HDM 中，带电 Higgs 玻色子 $ M_{H^{\pm}} $ 的允许质量范围是什么？
• RQ2 参数 $ \nu = \Re(m_{12}^2)/(2v_1v_2) $ 如何影响 $ H^{\pm} $ 与 $ A $ 的物理质量？它施加了何种约束？
• RQ3 在具有自发 CP 破坏的 2HDM 中，退耦合极限是否可实现？这对 $ M_{H^{\pm}} $ 意味着什么？
• RQ4 来自 $ b\to s\gamma $、$ B\to\tau\nu $ 与 $ \tau $ 衰变的实验约束如何限制 $ M_{H^{\pm}} $ 的允许值？
• RQ5 在 CP 保守的 2HDM(II) 模型中，中性 Higgs 玻色子 $ h, H, A $ 对费米子与规范玻色子的耦合如何依赖于 $ \tan\beta $ 与 $ \alpha $？

主要发现

• 较大的 $ M_{H^{\pm}} $ 值（>600–700 GeV）是 $ Z_2 $ 对称性与 CP 破坏的强信号，因为在精确 $ Z_2 $ 对称情况下无法实现此类质量。
• 在 CP 破坏的 2HDM 中，只有当 $ \nu $ 较大时才能实现退耦合，因为 $ M_{H^{\pm}}^2 = \frac{v^2}{2}(\lambda_5 - \lambda_4) $ 与 $ \nu $ 无关，从而限制了其最大值。
• 自发 CP 破坏要求 $ \sin\xi \neq 0 $，这意味着 $ \cos\xi = \nu / \lambda_5 $，而 $ M_A^2 = v^2 \lambda_5 \sin^2\xi $ 的正定性要求 $ \lambda_5 > 0 $。
• 来自 $ b\to s\gamma $ 的 NNLO 精度实验约束表明，当 $ \tan\beta > 2 $ 时，$ M_{H^{\pm}} > 295 $ GeV（95% 置信水平），如图 1（左）所示。
• 对 $ \tau \to e\nu\bar{\nu} $ 的一阶圈图分析排除了位于曲线 $ \Delta \sim \tan^2\beta \left(\ln\frac{M_h}{M_{H^+}} + 1\right) $ 以下的区域，其排除范围取决于 $ M_A $ 与 $ M_{H^+} $，如图 1（右）所示。
• 来自 $ B\to\tau\nu $ 与 $ b\to s\gamma $ 的约束具有互补性：前者提供树图级限制，后者则提供对中性 Higgs 粒子质量敏感的圈图级限制。