[论文解读] The Higgs data and the Decoupling Limit

Howard E. Haber|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文研究了观测到的125 GeV Higgs玻色子是否可能为两Higgs双峰模型（2HDM）中解耦极限下的标准模型类似态，或为一对近乎简并的中性Higgs玻色子。研究表明，ATLAS数据中增强的二光子信号可能源自此类简并态对，其在γγ与ZZ* → 4轻子道道中的质量测量结果不同，且该情景仅在小tanβ及特定2HDM类型下可行，尤其是具有抑制味改变电流的类型-I与类型-II。

ABSTRACT

The Higgs data analyzed by the ATLAS and CMS Collaborations suggest that the scalar state discovered in 2012 is a Standard Model (SM)--like Higgs boson. Nevertheless, there is still significant room for Higgs physics beyond the Standard Model. Many approaches to electroweak symmetry breaking possess a decoupling limit in which the properties of the lightest CP-even Higgs scalar approach those of the SM Higgs boson. In some cases, an apparent SM-like Higgs signal can also arise in a regime that may not be governed by the decoupling limit. One such scenario can be realized if the observed Higgs signal is a result of two unresolved nearly-mass-degenerate scalar states. The general two-Higgs doublet model provides a useful framework for studying the decoupling limit and possible departures from SM-like Higgs behavior. The implications for current and future Higgs data are briefly considered.

研究动机与目标

• 评估125 GeV处观测到的Higgs玻色子是否与扩展Higgs结构的解耦极限一致。
• 考察标准解耦机制之外，对观测到的Higgs信号（尤其是增强的γγ衰变率）的其他解释。
• 评估在2HDM框架下，一对近乎质量简并的中性Higgs玻色子（H⁰与A⁰）作为观测信号增强来源的可行性。
• 从LEP搜索、B物理可观测量及电弱ρ参数出发，评估此类情景的约束条件。
• 识别当前及未来LHC数据中此类情景的可测试信号，包括质量分裂与分支比差异。

提出的方法

• 分析两Higgs双峰模型（2HDM）中的解耦极限，区分大质量解耦与弱耦合解耦。
• 应用Higgs基态形式化方法，研究小标量自耦合极限下Higgs耦合的行为。
• 通过采用特殊Yukawa耦合结构（味对齐2HDM）施加味改变中性流的约束。
• 考虑一对质量约为125 GeV的近乎简并中性Higgs态（H⁰与A⁰）的情形，假设H⁰主导ZZ*与WW*的信号过程。
• 评估通过H⁰与A⁰的圈图贡献导致的γγ衰变率增强，同时保持对W+W−与ZZ的SM类似耦合。
• 利用ATLAS与CMS在γγ与ZZ* → 4轻子道道中的质量分辨率与信号强度数据，推断潜在的质量分裂。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的125 GeV处Higgs信号是否可在2HDM的解耦极限下得到解释，即使耦合存在微小偏差？
• RQ2 ATLAS数据中增强的二光子衰变率是否与2HDM中一对近乎质量简并的中性Higgs玻色子一致？
• RQ3 此类简并Higgs对受到LEP Higgs搜索、B物理可观测量及ρ参数的何种约束？
• RQ4 由于两个近乎简并Higgs态之间的干涉，γγ与ZZ* → 4轻子道道中的观测信号强度是否可能不同？
• RQ5 在具有简并H⁰–A⁰对且能解释γγ信号增强的2HDM中，tanβ与Higgs场参数的允许取值为何？

主要发现

• ATLAS数据中增强的γγ信号可通过一对质量约为125 GeV的近乎简并中性Higgs玻色子（H⁰与A⁰）解释，尤其在tanβ ≲ 1的类型-I与类型-II 2HDM中。
• H⁰与A⁰之间的质量差必须小于约1 GeV，以避免被LEP搜索探测到，假设mₕ₀ > ½mₕ⁰。
• Higgs门户相互作用与隐性规范场的耦合可导致弱耦合解耦，但除非门户耦合较大，否则无法解释观测到的γγ增强。
• ρ参数约束将mₕ⁺限制在约200 GeV以下，在简并H⁰–A⁰情景中，这排除了类型-II 2HDM（因b→sγ约束）。
• 显著的γγ信号增强要求H⁰与A⁰均贡献非零项，且γγ道道中的平均质量可能与ZZ* → 4轻子道道中的质量相差数百MeV。
• 该情景预测τ⁺τ⁻末态中存在相关增强，并在γγ与ZZ* → 4轻子道道中Higgs质量重建结果存在可测量差异，未来更大数据样本可验证此现象。