[论文解读] Type-I 2HDM under the Higgs and Electroweak Precision Measurements

Ning Chen, Tao Han+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 64被引用 6

一句话总结

本文利用未来Z工厂和希格斯工厂的精密测量，结合树图和单圈图贡献，对整个参数空间中的类型-I两希格斯双重态模型（2HDM）进行了研究。结果表明，希格斯和电弱精密数据将对模型施加严格约束，特别是在小和大tan β区域，得出|cos(β−α)| < 0.05，|ΔmΦ| < 200 GeV，且tan β ≳ 0.3，同时CEPC、FCC-ee和ILC在质量劈裂和耦合常数方面提供了互补约束。

ABSTRACT

We explore the extent to which future precision measurements of the Standard Model (SM) observables at the proposed $Z$-factories and Higgs factories may have impacts on new physics beyond the Standard Model, as illustrated by studying the Type-I Two-Higgs-doublet model (Type-I 2HDM). We include the contributions from the heavy Higgs bosons at the tree-level and at the one-loop level in a full model-parameter space. While only small $ anβ$ region is strongly constrained at tree level, the large $ anβ$ region gets constrained at loop level due to $ anβ$ enhanced tri-Higgs couplings. We perform a multiple variable global fit with non-alignment and non-degenerate masses. We find that the allowed parameter ranges could be tightly constrained by the future Higgs precision measurements, especially for small and large values of $ anβ$. Indirect limits on the masses of heavy Higgs bosons can be obtained, which can be complementary to the direct searches of the heavy Higgs bosons at hadron colliders. We also find that the expected accuracies at the $Z$-pole and at a Higgs factory are quite complementary in constraining mass splittings of heavy Higgs bosons. The typical results are $|\cos(β-α)| &lt; 0.05, |Δm_Φ| &lt; 200\ { m GeV}$, and $ anβ\gtrsim 0.3$. The reaches from CEPC, FCCee and ILC are also compared, for both Higgs and $Z$-pole precision measurements. Comparing to the Type-II 2HDM, the 95\% C.L. allowed range of $\cos(β-α)$ is larger, especially for large values of $ anβ$.

研究动机与目标

• 评估未来Z工厂和希格斯工厂测量对标准模型之外的类型-I 2HDM的敏感度。
• 评估树图和单圈图贡献（尤其是tan β增强的三希格斯耦合）对模型约束的影响。
• 比较不同未来轻子对撞机（CEPC、FCC-ee和ILC）在希格斯和Z极点可观测量上的约束能力。
• 推导出对重希格斯玻色子质量的间接限制，以补充强子对撞机中的直接搜索结果。
• 量化Z极点与希格斯工厂测量在约束质量劈裂和对齐参数方面的互补性。

提出的方法

• 对包括重希格斯态圈修正在内的希格斯和电弱精密可观测量进行多变量χ²拟合。
• 在计算希格斯耦合（κb, κZ）和Z玻色子耦合时，完整包含H±、H、A和h的单圈贡献。
• 在类型-I 2HDM框架中，使用Passarino-Veltman张量函数（B0, C0, C12）计算圈积分。
• 在三种情况下分析该模型：重希格斯质量简并的对齐情形、重希格斯质量非简并的对齐情形，以及质量简并但非对齐的情形。
• 基于预期的亮度和测量精度，比较CEPC、FCC-ee和ILC在灵敏度上的差异。
• 应用来自单位性、微扰性和电弱真空稳定性的理论约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来Z工厂和希格斯工厂测量在多大程度上约束了类型化-I 2HDM的参数空间，特别是在小和大tan β区域？
• RQ2 CEPC、FCC-ee和ILC在质量劈裂（|ΔmΦ|）和对齐参数（cos(β−α)）上的相对敏感度如何？
• RQ3 圈修正，特别是tan β增强的三希格斯耦合，在大tan β区域如何改善约束？
• RQ4 Z极点和希格斯精密测量在多大程度上相互补充，以约束重希格斯玻色子的质量和耦合？
• RQ5 与类型-II 2HDM相比，类型-I 2HDM在大tan β区域的cos(β−α)允许范围在95%置信水平下有何不同？

主要发现

• 未来精密测量对类型-I 2HDM的允许参数空间施加了严格约束，95%置信水平下|cos(β−α)| < 0.05，且tan β ≳ 0.3。
• 尽管树图约束较弱，但大tan β区域在单圈图层次上因tan β增强的三希格斯耦合而受到显著约束。
• 重希格斯玻色子之间的质量劈裂被约束在|ΔmΦ| < 200 GeV以内，尤其在偏离对齐极限时更为明显。
• Z极点和希格斯工厂测量具有互补性：Z极点数据更有利于约束质量劈裂，而希格斯精密数据更有利于约束cos(β−α)和tan β。
• FCC-ee在Z极点精密测量方面略具优势，而ILC通过可变质心能量略优于Higgs精密拟合的灵敏度。
• 与类型-II 2HDM相比，由于费米子耦合结构不同，类型化-I 2HDM在大tan β区域允许更大的95%置信水平cos(β−α)范围。