[论文解读] Two Higgs Doublet Model, Standard Model-like Scenario and Resolving SM from 2HDM at Photon Colliders

I. F. Ginzburg, M. V. Vychugin|ArXiv.org|Jan 14, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了一种自然的两希格斯双重模型（2HDM），其中CP破坏和味改变中性流被抑制，表明在大型强子对撞机（LHC）和$e^+e^-$对撞机上未观测到标准模型（SM）偏差的场景在广泛的2HDM参数空间中依然成立。研究证明，光子对撞机过程$\gamma\gamma \to h$和$e\gamma \to eh$可将此自然2HDM与SM区分开来，即使在1\sigma实验精度下，两光子宽度中的显著偏差也可被探测到。

ABSTRACT

1. Discussing 2HDM and Higgs potential, we find the parameters range giving naturally weak effects of CP violation and Flavor Changing Neutral Currents. Within this approach, the widely discussed decoupling limit with heavy $H^\pm$, $H$ and $A$ corresponds to an unnatural set of 2HDM parameters. 2. We define the SM--like scenario as that in which after LHC and e^+e^- LC operations no visible deviations from the minimal SM will be found. We find all the parameter ranges of 2HDM compatible with this scenario. 3. We show that the study of Higgs boson production at Photon Colliders (processes $γγ o h$ and $e γ o eh$) can help to distinguish minimal SM from 2HDM with natural set of parameters.

研究动机与目标

• 识别一个CP破坏和FCNC效应被抑制的自然2HDM参数空间，避免不自然的解耦极限。
• 定义并表征2HDM中的SM类似场景，即在LHC和$e^+e^-$对撞机上未观测到SM偏差的场景。
• 评估光子对撞机实验区分自然2HDM与SM的潜力，基于$\gamma\gamma$和$e\gamma$过程中的Higgs产生。
• 分析$\gamma\gamma \to h$和$e\gamma \to eh$截面对于不同2HDM解的敏感性，特别是具有自然Yukawa耦合的解。

提出的方法

• 该研究采用具有$Z_2$对称性的通用2HDM希格斯势，以抑制CP破坏和FCNC，仅通过软$Z_2$破坏引入微小的$(\phi_1,\phi_2)$混合。
• 将SM类似场景定义为在高能对撞机上未观测到SM预测的可观测偏差，并在此条件下映射出允许的2HDM参数范围。
• 通过比值$|\chi_{\gamma\gamma}|^2$量化两光子宽度中的偏差，计算相对于SM值的Higgs耦合$\chi_i^\phi$。
• 在2HDM中计算$\gamma\gamma \to h$和$e\gamma \to eh$截面，并与SM预测进行比较，评估在预期1$\sigma$实验边界下的敏感性。
• 根据费米子耦合模式，将解分类为A型和B型：A型假设$\chi_u = \chi_d = \chi_V = 1$，而B型假设$\chi_u + \chi_d \approx 0$，导致两光子宽度行为显著不同。
• 论文使用关系式$|\chi_{\gamma\gamma}|^2 = 1 - R_{\gamma\gamma}(1 - |\mu^2|/M_{H^\pm}^2)$来建模$H^\pm$圈图贡献，其中$\mu \lesssim v$以保证自然性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些2HDM参数范围允许CP破坏和FCNC效应的自然抑制，避免解耦极限？
• RQ2 哪些2HDM实现与SM类似场景一致，即在LHC和$e^+e^-$对撞机上未观测到SM偏差？
• RQ3 光子对撞机过程$\gamma\gamma \to h$和$e\gamma \to eh$能否将自然2HDM与SM区分开来，其分辨灵敏度如何？
• RQ4 不同2HDM解（A型和B型）如何影响两光子Higgs宽度和$e\gamma \to eh$截面，能否在实验中加以区分？
• RQ5 $H^\pm$圈图贡献在多大程度上可改变2HDM中的Higgs耦合，这对SM偏差的可探测性有何影响？

主要发现

• 具有微小$(\phi_1,\phi_2)$混合且CP/FCNC效应被抑制的自然2HDM对应于一个与解耦极限明显不同的广泛参数空间，后者需要不自然的参数。
• 2HDM中的SM类似场景不仅包括解耦极限，还包含多种其他实现，包括存在轻量带电Higgs玻色子的情况。
• 在自然2HDM中，两光子Higgs宽度可显著偏离SM值——在解$B_{h+u}$中最大偏离达20%——使其可在光子对撞机中被探测。
• 对于$M_h < 160$ GeV，$e\gamma \to eh$截面提供显著的互补敏感性，尤其在解$B_{h+u}$中，由于$t$夸克圈图贡献，其截面急剧增加。
• 解$B_{\phi\pm u}$在粗糙实验测量下也表现出$\gamma\gamma \to h$宽度的明显偏差，且独立于强CP破坏或FCNC效应。
• 论文发现，仅通过$\gamma\gamma$或$e\gamma$过程无法区分所观测到的Higgs是2HDM谱中的最轻态($h_1$)还是最重态($H$)。