[论文解读] Update of the 2HDM-III with a four-zero texture in the Yukawa matrices and phenomenology of the charged Higgs Boson

J. Hernández-Sánchez, Stefano Moretti+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文重新探討了在 Yukawa 矩陣中具有四零紋理的 2HDM-III 模型，表明由於 Yukawa 矩陣中非對角項所驅動的大型、味 violating 的耦合，帶電希格斯玻色子 $H^\pm$ 可以具有高達 90% 的分支比，主要衰變至 $cb$ 最終態。與具有 $\mathcal{Z}_2$ 對稱性的模型不同，此情形下 $H^\pm c\bar{b}$ 耦合可顯著增強，使 $H^\pm \to cb$ 成為 LHC 探測的關鍵信號。

ABSTRACT

We update the flavor-violating constraints on the charged Higgs sector of the 2-Higgs Doublet Model Type-III (2HDM-III), using a four-zero texture in the Yukawa matrices. We give a generic Lagrangian of the 2HDM-III. In order to show the relevance of the off-diagonal terms of such a texture, we utilize the main constraints from $B$-physics, $μ-e$ universality in $τ$ decays and the radiative decay $Z o b \bar{b}$ presented recently in arXiv:1212.6818 [hep-ph]. In particular, we show that the $H^- c \bar{b}$ coupling can be very large and very different with respect to 2HDMs with a flavor discrete symmetry (i.e., ${\mathcal{Z}}_2$). We also discuss the possible enhancements of the vertices $H^\pm W^\mp V$ ($V=Z, γ$) that arise at one-loop level.

研究动机与目标

• 重新評估在 Yukawa 矩陣中具有四零紋理的 2HDM-III 模型，專注於味破壞約束。
• 評估大型非對角 Yukawa 耦合的實驗物理含義，特別是針對 $H^\pm \to cb$ 衰變。
• 探討由於顯著的 $\lambda_6, \lambda_7$ 參數，一階微擾下 $H^\pm W^\mp V$ 頂點（$V = Z, \gamma$）的增強潛力。
• 識別可區分 2HDM-III 與具有 $\mathcal{Z}_2$ 對稱性的其他 2HDM 變體的獨特信號——特別是 $H^\pm \to cb$。
• 透過識別 $H^\pm$ 耦合與分支比達到最大化的可行參數區域，為未來 LHC 探測提供指導。

提出的方法

• 構建一個具有兩個希格斯雙態及 Yukawa 矩陣中四零紋理的通用 2HDM-III 拉格朗日量，假設 Yukawa 矩陣為厄米矩陣。
• 使用關係式 $Y_{ij}^{f} \propto \sqrt{m_i^f m_j^f} \chi_{ij}^{f}$，將非對角 Yukawa 耦合表示為費米子質量與無量綱參數 $\chi_{ij}^{f}$ 的函數。
• 應用來自 $B$ 物理、$\tau$ 衰變中 $\mu$-$e$ 誕變性、以及來自 arXiv:1212.6818 的輻射 $Z \to b\bar{b}$ 衰變的約束，以限制參數空間。
• 利用有效拉格朗日量與一階微擾貢獻，計算 $H^\pm \to cb$、$cs$、$\tau\nu$ 與 $W^\pm \gamma/Z$ 的衰變寬度。
• 分析自相互作用 $H^+H^-\phi^0$ 透過 $\lambda_6, \lambda_7$ 參數對 $H^\pm \to W^\pm \gamma$ 與 $H^\pm \to W^\pm Z$ 分支比的增強作用。
• 比較不同 $\chi_{ij}^{f}$ 配置下分支比之比 $R_{sb} = \text{BR}(H^\pm \to cb)/\text{BR}(H^\pm \to cs)$，以識別模型特異信號。

实验结果

研究问题

• RQ1 四零 Yukawa 紋理中的非對角項如何影響 2HDM-III 中 $H^\pm$ 的耦合與分支比？
• RQ2 $H^\pm \to cb$ 衰變通道是否可在 2HDM-III 中佔主導地位？在何種條件下會發生？
• RQ3 $\lambda_6, \lambda_7$ 參數對一階微擾產生的 $H^\pm W^\mp V$ 頂點有何影響？
• RQ4 2HDM-III 中的 $H^\pm \to cb$ 分支比與具有 $\mathcal{Z}_2$ 對稱性的 2HDM 有何不同？
• RQ5 在何種可行參數區域中，$H^\pm \to cb$ 的分支比可達超過 90%？這些區域如何在 LHC 上探測？

主要发现

• $H^\pm \to cb$ 的分支比在具有四零 Yukawa 紋理的 2HDM-III 中可達高達 90%，特別是在 $Y_{ij} \gg X_{ij}, Z_{ij}$ 時，主要歸因於 $\sqrt{m_t m_c} \chi_{23}^u$ 項的顯著貢獻。
• 當 $Y \gg X,Z$ 時，比值 $R_{sb} = \text{BR}(H^\pm \to cb)/\text{BR}(H^\pm \to cs) \sim |V_{tb}|^2 / |V_{ts}|^2 \approx 10$，導致 $H^\pm \to cb$ 衰變占主導地位。
• 當 $X \gg Y,Z$ 時，比值 $R_{sb} \sim |V_{cs}|^2 / |V_{cb}|^2 \approx 0.1$，或若 $\chi_{ij}^d$ 為負且量級為 1，則 $R_{sb} \sim m_b^2 |V_{cb}|^2 / (m_s^2 |V_{cs}|^2) \approx 100$，提供兩種截然不同的異常情形。
• 由於 $\lambda_6, \lambda_7$ 參數較大，一階微擾貢獻導致 $H^\pm \to W^\pm \gamma$ 與 $H^\pm \to W^\pm Z$ 的分支比可達 $10^{-4}$ 至 $10^{-3}$ 與 $10^{-3}$ 至 $10^{-2}$ 之間。
• $H^\pm c\bar{b}$ 耦合可顯著大於 $\mathcal{Z}_2$ 對稱 2HDM 中的值，使 $H^\pm \to cb$ 成為 2HDM-III 中獨特且主導的衰變模式。
• 當 $m_{H^\pm} < m_t - m_b$ 時，模型允許一個近乎輕子禁閉的 $H^\pm$（$\text{BR}(H^\pm \to \tau\nu) \ll 1\%$），此時 $H^\pm \to cb$ 與 $H^\pm \to cs$ 衰變占主導地位。