[論文レビュー] Electroweak Phase Transition in 2HDM under Higgs, Z-pole, and W precision measurements

H. Y. Song, Wei Su+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、タイプ-Iおよびタイプ-II二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDM）における強い一次元電弱相転移（SFOEWPT）とCDF-IIが測定した上昇した$m_W$値の両立可能性を調査する。両タイプの2HDMは、現在の制約のもとで、SFOEWPT、$m_W$のずれ、および精度の高いヒッグスおよびZボソンの極限測定を同時に満たすことが可能であり、許容領域はタイプ-Iでは重ヒッグスの質量差$Δ m_{A/C} \in (-400,400)$ GeVおよび$τ\beta \in (1,50)$、タイプ-IIでは$Δ m_{A/C} \in (-200,300)$ GeVおよび$τ\beta \in (1,12)$で定義される。将来的なレプトン衝突機の測定で、標準模型（SM）予測からの逸脱が観測されない場合、この状況は排除される可能性がある。

ABSTRACT

In this work we revisit the existence of a strong first order electroweak phase transition (SFOEWPT) and recent $m_W$ precision measurement in the Type-I and Type-II 2HDMs. The O(100) GeV new scalars in 2HDMs are favored by SFOEWPT, which is necessary for electroweak baryogenesis, and observed $m_W$ shift as well. % We find that under current constraints, both Type-I and Type-II 2HDM can explain the SFOEWPT, Z-pole, Higgs precision measurements and $m_W$ precision measurement of CDF-II at same time, and all these precision measurements are sensitive to heavy Higgs mass splitting in 2HDM. The allowed regions are $Δm_{A/C} \in (-400, 400) GeV, anb\in(1,50)$, and $Δm_{A/C} \in (-200, 300) GeV, anb\in(1,12)$ for Type-I and Type-II 2HDM respectively. Furthermore future lepton collider measurements on Higgs and $Z$ boson properties can explore this scenario in more detail or even rule out it.

研究の動機と目的

• タイプ-Iおよびタイプ-II 2HDMが、同時に強い一次元電弱相転移（SFOEWPT）とCDF-IIによる上昇した$m_W$測定値を満たすことができるかどうかを評価すること。
• これらのモデルがLHCおよび他の実験から得られた現在のヒッグスおよびZボソンの極限精度測定と整合するかどうかを検討すること。
• 現在の$τ\beta$、$m_H$、および重ヒッグスの質量差$Δ m_{A/C}$に関する制約のもとで、SFOEWPTおよび$m_W$のずれを満たすパラメータ空間を特定すること。
• 将来的なレプトン衝突機（例：CEPC、FCC-ee、ILC）が、2HDMにおける標準模型（SM）とSFOEWPT＋上昇した$m_W$の状況を区別する感度を評価すること。

提案手法

• すべての制約を満たすパラメータ点を特定するために、$m_H$、$τ\beta$、および重ヒッグスの質量差$Δ m_{A/C}$を含む2HDMのパラメータ空間全体をスキャンする。
• 1ループ補正によるオブリークパラメータ$S$、$T$、$U$をモデルに組み込み、$m_W$のずれを重ヒッグスの質量差と関連付ける。
• 有限温度有効ポテンシャルの計算を用いてSFOEWPTを評価し、対称状態と破れた状態の間の十分に高いエネルギー障壁を必要とする。
• 追加のヒッグスボソンの直接LHC探索結果を適用し、大きな結合定数または低い質量を持つ領域を除外する。
• 将来的なレプトン衝突機（CEPC、FCC-ee、ILC）の精度測定を、オブリークパラメータの1%レベルの予想不確実性および改良されたヒッグス結合測定と併せてシミュレートする。
• 現在の許容領域（緑点）と将来的な精度制約を満たす領域（赤点）を比較し、SM予測からの逸脱が観測されない場合、現在の有効領域が排除される可能性を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-Iおよびタイプ-II 2HDMは、同時に強い一次元電弱相転移とCDF-IIによる上昇した$m_W$測定値を説明できるか？
• RQ2 現在のヒッグスおよびZボソンの極限精度測定は、SFOEWPTおよび$m_W$のずれの文脈において、2HDMのパラメータ空間をどの程度制約するか？
• RQ3 重ヒッグスの質量差（$Δ m_{A/C}$）は、$m_W$のずれを媒介し、SFOEWPTを可能にする役割を果たすか？
• RQ4 将来的なレプトン衝突機（CEPC、FCC-ee、ILC）の測定は、2HDMにおけるSFOEWPT＋上昇した$m_W$の状況をどの程度の確度で排除または確認できるか？
• RQ5 将来的な高精度実験で、この状況を示す明確なヒッグスおよびZボソン結合のシグネチャは存在するか？

主な発見

• タイプ-Iおよびタイプ-II 2HDMの両方とも、現在の実験的不確実性のもとで、SFOEWPT、CDF-IIによる$m_W$測定、および現在のヒッグスおよびZボソンの極限精度制約を同時に満たすことができる。
• 許容パラメータ空間は、タイプ-I 2HDMでは$Δ m_{A/C} \in (-400,400)$ GeVおよび$τ\beta \in (1,50)$、タイプ-II 2HDMでは$Δ m_{A/C} \in (-200,300)$ GeVおよび$τ\beta \in (1,12)$に制限される。
• 2HDMにおける$m_W$のずれは、重ヒッグスの質量差$Δ m_{A/C}$に直接的に依存し、これによりオブリークパラメータおよびヒッグス結合にも影響を与える。
• 将来的なレプトン衝突機（CEPC、ILC、FCC-ee）でオブリークパラメータの精度が1%レベルに達する場合、SM予測からの逸脱が観測されない限り、SFOEWPT＋上昇した$m_W$の状況は排除される。
• SFOEWPT＋上昇した$m_W$の状況が正しければ、将来的な実験ではSM予測からの明確な逸脱を高い信頼水準で観測するだろう。
• パラメータ空間における赤点（将来的な制約を満たす領域）は、現在の許容領域（緑点）から分離されており、将来的な精度データによって現在の有効領域が排除される可能性があることが示唆される。