[论文解读] Yukawa textures or dark doublets from Two Higgs Doublet Models with $Z_3$ symmetry

Alfredo Aranda, J. Hernández-Sánchez+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了一种具有 $Z_3$ 对称性的双 Higgs双态模型（2HDM），表明该对称性通过赋予费米子非平凡的 $Z_3$ 电荷，可在夸克 sector 中实现标准 $Z_2$ 对称性无法实现的新型 Yukawa 纹理。此外，本文引入了一种具有两个惰性双态的暗物质双 Higgs双态模型（D2HDM），这些双态在 $Z_3$ 下变换，从而形成更丰富的暗物质 sector，包含多个暗标量粒子，并展现出与 $Z_2$ 基础的惰性模型不同的独特现象学特征。

ABSTRACT

The effect of $Z_3$ symmetry on the general Two Higgs Doublet Model is explored. Of particular interest is the question of what can a $Z_3$ symmetry do beyond the usual case with $Z_2$. There are two independent scenarios that give some interesting results: first, by giving non-trivial charges to the Standard Model fermions, it is possible to use the $Z_3$ symmetry of the scalar potential to generate potentially useful Yukawa textures. This is not possible with $Z_2$. A series of possibilities is presented where their viability is addressed and a specific example in the quark sector is given for concreteness. The second venue of interest is in the area of inert doublets. It is shown that by considering the Standard Model plus two additional inert doublet scalars, i.e. a Dark Two Higgs Doublet Model, together with $Z_3$, a scenario can be obtained that differs from the $Z_2$ case. Some general comments are presented on the potentially interesting phenomenology of such model.

研究动机与目标

• 研究 $Z_3$ 对称性在双 Higgs双态模型（2HDM）中的影响，特别是与标准 $Z_2$ 对称情况的差异。
• 探究 $Z_3$ 对称性是否能在夸克 sector 中生成可实现的 Yukawa 纹理，尤其是能够重现 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa（CKM）矩阵的情况。
• 考察 $Z_3$ 对称的惰性双态模型作为暗物质候选者的可行性，并与传统的 $Z_2$ 基础惰性模型进行对比。
• 识别具有 $Z_3$ 对称性的暗物质双 Higgs双态模型（D2HDM）中出现的新现象学信号，特别是在暗物质 sector 的谱结构与衰变级联过程方面。

提出的方法

• 在 2HDM 的标量势中引入 $Z_3$ 对称性，为每个场分配 $n_f \in \{0,1,2\}$ 的电荷，其中 $\omega = \exp(2\pi i/3)$，以约束势能项。
• 通过计算所有项的 $Z_3$ 电荷来分析 $Z_3$ 对称下的标量势，使用关系式 $[\mu_{ij}] = n_{h_j} - n_{h_i} \mod 3$，以及类似关系式处理四次耦合项。
• 为标准模型费米子分配非平凡的 $Z_3$ 电荷，以生成特定的 Yukawa 纹理结构，特别关注某一双态仅与第二和第三代夸克耦合的场景。
• 构建一个具有一个标准模型类似 Higgs 双态（在 $Z_3$ 下为中性）和两个具有非 degenerate $Z_3$ 电荷的惰性双态（$n_{h_2} \neq n_{h_3}$）的暗物质双 Higgs双态模型（D2HDM），以确保 $Z_3$ 不变量。
• 推导 D2HDM 在 $Z_3$ 对称下的不变势能，表明像 $\mu_{23}^2 H_2^\dagger H_3$ 和 $\lambda_{123}(H_1^\dagger H_1)(H_2^\dagger H_3)$ 这类项仅在 $n_{h_2} \neq n_{h_3}$ 时存在，从而与 $Z_2$ 模型形成区别。
• 分析所得暗物质 sector 的谱结构：包含两个带电标量、两个赝标量和两个 CP 偶标量，支持在 $Z_2$ 基础惰性模型中不存在的级联衰变与辐射衰变过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 $Z_3$ 对称性是否能生成可实现的夸克 sector Yukawa 纹理，以重现 CKM 矩阵，而 $Z_2$ 对称性无法实现？
• RQ2 具有 $Z_3$ 对称性的暗物质双 Higgs双态模型（D2HDM）的物理后果是什么，特别是当两个惰性双态具有不同 $Z_3$ 电荷时？
• RQ3 与标准 $Z_2$ 对称的惰性模型相比，$Z_3$ 对称的 D2HDM 在暗物质 sector 的结构与衰变通道方面有何不同？
• RQ4 $Z_3$ 对称性是否能在多惰性双态场景中稳定暗物质候选者？其稳定条件是什么？
• RQ5 在 $Z_3$ 对称的 D2HDM 中，哪些新的标量相互作用与衰变级联过程会出现，而这些在 $Z_2$ 基础模型中是不存在的？

主要发现

• 具有非平凡费米子电荷的 $Z_3$ 对称 2HDM 可生成重现 CKM 矩阵的 Yukawa 纹理，尤其在某一 Higgs 双态仅与第二和第三代夸克耦合的场景下表现显著。
• $Z_3$ 对称性在 Yukawa sector 中提供了比 $Z_2$ 更丰富的结构，使得在 $Z_2$ 框架下无法实现的纹理模式成为可能，其关键在于 $Z_3$ 电荷费米子的存在。
• 在惰性模型背景下，具有两个具有不同 $Z_3$ 电荷（$n_{h_2} \neq n_{h_3}$）的惰性双态的 D2HDM，可形成 $Z_3$ 不变量势能，其中包含像 $\mu_{23}^2 H_2^\dagger H_3$ 这类在 $Z_2$ 对称性下被禁止的项。
• 由此产生的 D2HDM 拥有复杂的暗物质 sector，包含两个带电标量、两个赝标量和两个 CP 偶标量，支持在 $Z_2$ 惰性模型中不存在的级联衰变与辐射衰变过程。
• $Z_3$ 对称的 D2HDM 由于最轻惰性态的 $Z_3$ 电荷而支持稳定的暗物质候选者，其现象学特征与 $Z_2$ 情况显著不同，尤其体现在质量谱与衰变拓扑结构上。
• 该模型预测了更丰富的暗物质 sector 相互作用与衰变级联过程，例如 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$，这类过程在 $Z_2$ 惰性模型中不可能实现，为实验提供了全新的信号特征。