带有度规化 $U(1)$ 对称性的 2HDM 是否存活？

我们研究了具有新 $U(1)$ 规范对称性 $U(1)_X$ 的两个希格斯双重模型 (2HDM)，通过该对称性可在树层消除味变中性弱电流。作为 $U(1)_X$ 与电弱对称性通过电弱真空期望值同时自发破缺的一个重要结果，$Z'$ 及额外希格斯玻色子质量上限出现限制，且质量小于 TeV 量级。在此情况下，标准模型 (SM) 类似的希格斯玻色子 $h$ 与更重的希格斯玻色子 $H$ 主要衰变为 $Z'$ 成对产生，导致四 lepton 最终态。这些新的衰变模式即使不考虑 $Z$-$Z'$ 混合和/或希格斯对齐极限，也无法被抑制。我们发现，这些 2HDM 的最小设置已被当前 LHC 四 lepton 搜索数据排除。然而，通过引入一对向量样费子 $\chi$ 可避免此类严苛约束——这些费子在 SM 规范下为singlet但在 $U(1)_X$ 下为带电体，且可作为暗物质候选者。得益于 $\chi$ 的存在，$Z'$ 可主要衰变为 $\chi\bar{\chi}$ 而非 SM 夸克。作为基准模型，我们考虑 $U(1)_H$ 与 $U(1)_R$ 模型，通过固定特定 $U(1)_X$ 电荷实现，并发现参数空间存在被理论与当前实验约束的允许区域。我们阐明在 $U(1)_H$ 模型中，$m_H \in [160, 220]$ GeV 且 $\tan \beta \in [3, 4.4]$ 是允许的；而在 $U(1)_R$ 模型中，$m_H \in [160, 380]$ GeV 且 $\tan \beta \in [1.6, 4.4]$ 是允许的。在两种模型中，$Z'$ 质量均受限于 $100~\text{GeV} \lesssim m_{Z'} \lesssim 110$ GeV。这种较窄的参数空间可进一步在未来实验中探索，例如高亮度 LHC 与夸克子对撞机。