[论文解读] Type-X two Higgs doublet model in light of the muon $\mathbf{g-2}$: confronting Higgs and collider data

Adil Jueid, Jinheung Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 137被引用 4

一句话总结

本文研究了类型-X的两希格斯双重模型（2HDM）作为解释μ子反常磁矩（$g-2$）中观测到的4.2σ偏差的解决方案，结合了希格斯精确测量数据、电弱斜交参数、理论稳定性以及对撞机直接搜寻的约束。研究发现，为解释$\Delta a_\mu$，需要较大的$\tan\beta > 100$和轻的赝标量$M_A \lesssim 62.5$ GeV，但这些参数区域已被LEP和LHC的直接搜寻排除；此外，该模型在$\tau$和$Z$衰变中违反了轻子味 universality，结合当前数据，已排除其作为可行解决方案的可能性。

ABSTRACT

The recent Fermilab measurement of the muon anomalous magnetic moment yields $4.2 σ$ deviations from the SM prediction when combined with the BNL E821 experiment results. In the Type-X two Higgs doublet model, we study the consequence of imposing the observed muon $g-2$, along with the constraints from theoretical stabilities, electroweak oblique parameters, Higgs precision data, and direct searches. For a comprehensive study, we scan the whole parameter space in two scenarios, the normal scenario where $h_{ m SM} = h$ and the inverted scenario where $h_{ m SM}=H$, where $h$ ($H$) is the light (heavy) CP-even Higgs boson. We found that large $ anβ$ (above 100) and light pseudoscalar mass $M_A$ are required to explain the muon $g-2$ anomaly. This breaks the theoretical stability unless the scalar masses satisfy $M_A^2 \simeq M_{H^\pm}^2 \simeq m_{12}^2 anβ\approx M_{H/h}^2$. The direct search bounds at the LEP and LHC exclude the light $A$ window with $M_A \lesssim 62.5~$GeV. We also show that the observed electron anomalous magnetic moment is consistent with the model prediction, but the lepton flavor universality data in the $τ$ and $Z$ decays are not. For a separate exploration of the model, we propose the golden mode $pp o A h/AH o 4 τ$ at the HL-LHC.

研究动机与目标

• 探讨类型-X 2HDM是否能解释费米实验室和BNL实验中观测到的μ子反常磁矩（$\Delta a_\mu$）中4.2σ的偏差。
• 评估该模型在真空稳定性与幺正性等理论约束下的可行性。
• 将该模型与希格斯精确测量数据、LEP和LHC的直接搜寻结果，以及$\tau$和$Z$衰变中的轻子味 universality（LFU）数据进行对比。
• 提出一种专门的LHC搜寻通道$pp \to Ah/AH \to 4\tau$，用于探测高-$\tan\beta$区域的该模型。

提出的方法

• 在正常（$h_{\rm SM} = h$）和反转（$h_{\rm SM} = H$）两种情形下，对类型-X 2HDM的参数空间进行了全局扫描。
• 通过条件$M_A^2 \simeq M_{H^\pm}^2 \simeq m_{12}^2 \tan\beta \approx M_{H/h}^2$施加真空稳定性与微扰性等理论约束。
• 应用了来自希格斯精确可观测量、电弱斜交参数（$S$，$T$）以及直接搜寻（LEP和LHC）的约束。
• 利用来自$\tau$和$Z$衰变的16个LFU数据点，进行了全局$\chi^2$拟合，以检验轻子味 universality。
• 提出$pp \to Ah/AH \to 4\tau$通道作为未来高亮度LHC搜寻的黄金模式。
• 计算了该模型对电子反常磁矩的预测，并与实验数据进行了比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 类型-X 2HDM能否在满足理论与实验约束的前提下，解释观测到的μ子$g-2$中4.2σ的偏差？
• RQ2 为解释$\Delta a_\mu$，所需的关键参数区域（特别是$\tan\beta$与$M_A$）为何？
• RQ3 LEP和LHC的直接搜寻如何限制该模型中赝标量$A$的可行参数空间？
• RQ4 该模型在$\tau$和$Z$衰变中对轻子味 universality 的保持程度如何？
• RQ5 在高亮度LHC（HL-LHC）上，$pp \to Ah/AH \to 4\tau$通道能否作为该模型的灵敏探测手段？

主要发现

• 在类型-X 2HDM中，为解释μ子$g-2$异常，需要较大的$\tan\beta > 100$和轻的赝标量质量$M_A \lesssim 62.5$ GeV。
• 理论稳定性要求$M_A^2 \simeq M_{H^\pm}^2 \simeq m_{12}^2 \tan\beta \approx M_{H/h}^2$，但在大-$\tan\beta$区域难以满足。
• LEP和LHC的直接搜寻已排除$M_A \lesssim 62.5$ GeV的区域，严重限制了该模型的可行性。
• 该模型对电子$g-2$的修正预测与当前实验数据一致。
• 包含16个LFU数据点的全局$\chi^2$拟合表明，该模型因结合了$\Delta a_\mu^{{\rm obs}}$与LFU数据而被排除。
• $pp \to Ah/AH \to 4\tau$通道被识别为未来HL-LHC搜寻中探测该模型的有前途的黄金模式。