[论文解读] Two-Higgs-Doublet Models with CP violation

I. F. Ginzburg, Maria Krawczyk+1 more|ArXiv.org|Nov 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 32

一句话总结

本文研究了具有显式CP破坏的双希格斯双重模型（2HDM），聚焦于CP破坏与味改变的中性流保持较小时的场景，即使在$Z_2$对称性被软性破坏的情况下也是如此。结果表明，当$m_{12}^2$值较小时——尤其是当$\mu^2$较小时——可实现与标准模型相似的希格斯玻色子，其耦合常数与标准模型一致，而更重的希格斯态（高达1 TeV）也与实验约束一致，即使不存在解耦极限。

ABSTRACT

We consider the Two-Higgs-Doublet Model and determine the range of parameters for which CP violation and Flavor Changing Neutral Current effects are naturally small. It corresponds to small values of the mass parameter m_{12}^2, describing soft (ϕ_1,ϕ_2) mixing in the potential. We discuss how, in this approach, some Higgs bosons can be heavy, with mass of the order of 1 TeV. The possibility that at the Tevatron, LHC and an e^+e^- Linear Collider, only one Higgs boson will be found, with properties indistinguishable from those in the Standard Model (SM), we define as the SM-like scenario. While this scenario can be obtained with large μ^2 \sim \Re m_{12}^2 parameter, in which case there is decoupling, we here discuss the opposite case of small μ^2, without decoupling.

研究动机与目标

• 确定在双希格斯双重模型中，CP破坏与味改变的中性流保持自然微小的参数区域。
• 探索在没有解耦极限的情况下，顶夸克对撞机、大型强子对撞机及$e^+e^-$直线对撞机中是否存在与标准模型相似的希格斯玻色子。
• 分析$\mu^2 = \mathrm{Re}(m_{12}^2 e^{i\xi}) v^2 / (v_1 v_2)$与$\mathrm{Im}(\lambda_5)$在希格斯 sector 中生成CP破坏的作用。
• 确定在$\mu^2$较小且$|\mathrm{Re}(\lambda_5)|$较大的非解耦情景下，如何仍能产生具有标准模型耦合特性的轻希格斯玻色子。
• 评估此类模型在对撞机中的现象学信号，特别是$h \to \gamma\gamma$与$h \to gg$衰变宽度。

提出的方法

• 采用具有$\lambda_6 = \lambda_7 = 0$但允许$m_{12}^2 \neq 0$的双希格斯双重模型势能，从而实现$Z_2$对称性的软性破坏。
• 利用相位重定义不变性，将真空相位$\xi = 0$，简化通过$\mathrm{Im}(\lambda_5)$与$\mathrm{Im}(m_{12}^2)$分析CP破坏的过程。
• 推导中性希格斯质量矩阵（公式5），其中包含与$\mathrm{Im}(\lambda_5)$成比例的非对角项，当$\mathrm{Im}(\lambda_5) \neq 0$时，会使$h$、$H$与$A$态发生混合。
• 通过旋转矩阵$R$（公式6）对质量矩阵进行对角化，从而在存在CP破坏的情况下定义物理态$h_1, h_2, h_3$。
• 利用旋转矩阵元素分析希格斯玻色子与费米子及规范 boson 的耦合，将$\chi_u^{h_i}$、$\chi_d^{h_i}$与$\chi_V^{h_i}$表示为$R_{ij}$与$\beta$的函数（公式9）。
• 通过三线耦合$g_{hH^+H^-}$评估圈图诱导的衰变宽度$\Gamma(h \to \gamma\gamma)$与$\Gamma(h \to gg)$，该耦合由$\mu^2$与$M_{H^\pm}^2$参数化（公式11）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有软$Z_2$破坏的双希格斯双重模型中，CP破坏与味改变的中性流在何种条件下可保持微小？
• RQ2 当$\mu^2$较小时，是否可在2HDM中实现具有标准模型耦合的与标准模型相似的希格斯玻色子，即使不存在解耦极限？
• RQ3 在非解耦情景下，圈图诱导的希格斯衰变宽度$\Gamma(h \to \gamma\gamma)$与$\Gamma(h \to gg)$与标准模型相比会偏离多少？
• RQ4 $\mathrm{Im}(\lambda_5)$在希格斯 sector 中生成CP破坏效应的作用是什么？其受相位重定义不变性约束的方式如何？
• RQ5 通过$h \to \gamma\gamma$衰变中的偏离，是否可在$\gamma\gamma$对撞机上区分2HDM势能的形式（$\mu^2$大或小）？

主要发现

• 当$m_{12}^2$值较小时——特别是$\mu^2$较小时——可实现与标准模型相似的希格斯玻色子，其与$W$、$Z$、顶夸克及底夸克的耦合几乎与标准模型完全一致，即使不存在解耦极限。
• 当$\mu^2$较小时但$|\mathrm{Re}(\lambda_5)|$较大时，赝标量$A$与带电希格斯$H^\pm$可为重态（高达1 TeV），且与实验约束一致。
• 在$\mu^2$较小的非解耦情景下，$h \to \gamma\gamma$衰变宽度可与标准模型偏离几个百分点，具体取决于$\mu^2/M_{H^\pm}^2$的比值，如图1（左侧面板）所示。
• 对于B类解（对上型或下型夸克的耦合符号相反），$h \to gg$衰变宽度也与标准模型偏离，如图1（右侧面板）所示，尤其当$\mu^2 < M_{H^\pm}^2$时效应更明显。
• 控制$h \to \gamma\gamma$与$h \to gg$衰变率的三线耦合$g_{hH^+H^-}$依赖于$\mu^2$与$M_{H^\pm}^2$，当$\mu^2 \sim M_{H^\pm}^2$时，可通过调节该参数抑制$\Gamma_{\gamma\gamma}$与标准模型的偏离。
• 在CP破坏情况下，关系式$(\chi_u^{h_i} + \chi_d^{h_i}) \chi_V^{h_i} = 1 + \chi_u^{h_i} \chi_d^{h_i}$（公式10）成立，并为对撞机中希格斯耦合提供可检验的约束。