[论文解读] Vector like leptons with extended Higgs sector

Sumit K. Garg, C. S. Kim|arXiv (Cornell University)|May 21, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 3

一句话总结

本文研究了一个扩展了矢量型轻子世代的两希格斯双重态模型（2HDM），表明额外的标量双重态可缓解电弱精确测量约束（S、T、U 参数），从而容许更大的 Yukawa 耦合以及矢量型费米子之间的质量劈裂。此外，该模型还显示可增强希格斯玻色子衰变至双光子的宽度，为大型强子对撞机（LHC）中观测到的双光子通道过剩提供了一个可行的解释。

ABSTRACT

We examined the influence of additional scalar doublet on the parameter space of the Standard Model supplemented with a generation of new vector like leptons. In particular we identified the viable regions of parameter space by inspecting various constraints especially electroweak precision (S, T and U) parameters. We demonstrated that the additional scalar assists in alleviating the tension of electroweak precision constraints and thus permitting larger Yukawa mixing and mass splittings among vector like species. We also compared and contrasted the regions of parameter space pertaining to the latest LHC Higgs to diphoton channel results in this scenario with vector like leptons in single Higgs doublet and pure two Higgs doublet model case.

研究动机与目标

• 探究在扩展的两希格斯双重态模型（2HDM）中，矢量型轻子世代的可行性，尤其关注电弱精确测量约束。
• 评估在标准模型中引入惰性标量双重态后，参数空间的变化。
• 评估矢量型轻子与扩展的标量场对希格斯玻色子衰变至两光子（h → γγ）宽度的影响。
• 将此 2HDM + 矢量型轻子模型中的双光子信号强度预测，与单希格斯双重态和纯 2HDM 情况下的预测进行比较。
• 识别满足电弱精确测量、真空稳定性、微扰性与幺正性约束的可行参数区域。

提出的方法

• 该模型包含两个希格斯双重态：一个与费米子（包括矢量型轻子）耦合，另一个在 Z₂ 对称性下保持惰性，从而确保树图层次无味改变中性流。
• 通过规范玻色子两点半函数的圈图贡献，计算电弱精确参数 S、T 和 U，使用一阶圈图贡献的解析表达式。
• 利用标准圈函数 V₁(x)、F₁/₂(x) 和 C₀(x)，结合适当的运动学不变量，计算带电标量与矢量型费米子圈对希格斯至双光子衰变宽度的贡献。
• 在参数空间中进行数值扫描，施加电弱精确测量可观测量、真空稳定性、微扰性与幺正性约束。
• 评估并比较三种情形下的双光子信号强度 σ/σ_SM：含矢量型轻子的标准模型、单希格斯双重态标准模型，以及所提出的 2HDM 加矢量型轻子模型。
• 分析基于惰性双重子模型（IDM）框架，其中 CP 偶的最轻标量被识别为 125 GeV 希格斯玻色子，且惰性双重子不参与 Yukawa 耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 2HDM 中引入惰性标量双重态，是否能缓解由矢量型轻子引起的电弱精确参数（S、T、U）张力？
• RQ2 在同时施加电弱精确测量约束与理论一致性（真空稳定性、幺正性、微扰性）的条件下，矢量型轻子的可行参数区域为何？
• RQ3 在存在矢量型轻子与扩展标量场的情况下，希格斯玻色子衰变至两光子（h → γγ）的宽度相较于标准模型与单希格斯双重态模型有何变化？
• RQ4 该模型构型在多大程度上可解释 LHC 双光子通道中观测到的过剩（σ/σ_SM ≈ 1.65）？
• RQ5 在该扩展模型中，矢量型费米子与标量态对圈诱导的希格斯至双光子衰变振幅的相对贡献为何？

主要发现

• 引入额外的惰性标量双重态，使标量与费米子对 S、T、U 参数的贡献发生抵消，显著放松了电弱精确测量约束。
• 由于在斜向修正中改善了抵消效应，与单希格斯双重态情形相比，2HDM 框架下容许更大的 Yukawa 耦合与矢量型轻子之间的质量劈裂。
• 该模型预测希格斯至双光子衰变宽度显著增强，在有利参数区域中信号强度可达 σ/σ_SM ≈ 1.65，与 ATLAS 观测过剩一致。
• 在参数空间的部分区域，CMS 双光子信号强度（σ/σ_SM ≈ 1.11）也处于允许范围内，表明与当前数据兼容。
• 在所识别的可行区域内，理论约束（真空稳定性、微扰性、幺正性）均被满足，证实该模型在理论层面也具有一致性。
• 在 2HDM 加矢量型轻子模型中，双光子信号强度高于仅含矢量型轻子的标准模型，且与纯 2HDM 情况相当，凸显了费米子圈对增强衰变振幅的关键作用。