[論文レビュー] Excesses in the low-mass Higgs-boson search and the $\varvec{W}$-boson mass measurement

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、最近のCDFによるWボソン質量測定値（80.4335 GeV）が、ヤコビ型IVのYukawa型の実スカラー単粒子を含む二重ヒッグスダブルレットモデル（N2HDM）内で説明可能であると提唱している。同モデルは、95 GeV付近のγγ、τ⁺τ⁻、およびb¯b最終状態におけるヒッグス探索の過剰信号を同時に説明可能であり、重いヒッグス状態間の質量差がTパラメータに大きな寄与をもたらし、MWを標準模型予測を上回るCDFの値に引き上げる。

ABSTRACT

The CDF collaboration recently reported a measurement of the $W$-bososmass, $M_W$, about seven standard deviations above the Standard Model(SM). The question arises whether extensions of the SM exist that canaccomodate such large values, and what further phenomenologicalconsequences arise from this.A different type of deviation from the SM has been observedexperimentally in the searches for light Higgs bosons. CMS has observedtwo $\sim 3\,\sigma$ in the $\gamma\gamma$ and $ au^+ au^-$ final states for ahypothetical Higgs-boson mass of $\sim 95$ GeV. These two excesses arecompatible with the corresponding ATLAS limits. A third excess wasobserved in the $b \bar b$ final state at the $\sim 2\,\sigma$ level at aboutthe same Higgs-boson mass.It was shown recently that the three excesses can be described the the2HDM extended with a real singlet (N2HDM) of Yukawa type~IV, while beingin agreement with all other theoretical and experimental constraints.We demonstrate that the parameter space that accomodates the threeexcesses can also give a large contribution to $M_W$ in agreement withthe recent CDF measurement. We discuss further phenomenologicalconsequences of this scenario

研究の動機と目的

• 標準模型内での新しい物理が、最近のCDFによるWボソン質量測定値（80.4335 GeV）の著しいずれのずれを説明可能かどうかを調査すること。
• 同じモデルが、CMSおよびLEPデータで観測された約95 GeVにおける複数の低質量ヒッグスボソン過剰信号を同時に記述可能かどうかを特定すること。
• CDFのWボソン質量異常と低質量ヒッグス信号を統合するモデルの物性的結果を調査すること。
• 電弱精度観測量および加速器限界を含む理論的・実験的制約と、モデルの整合性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、ヤコビ型IVのYukawa型実スカラー単粒子を含む二重ヒッグスダブルレットモデル（N2HDM）を採用し、約95 GeVに単粒子に似たヒッグスボソンを許容する。
• γγ、τ⁺τ⁻、およびb¯b過剰信号がそれぞれ約3σの局所的有意度を持つ領域を特定するために、モデルのパラメータ空間を数値的にスキャンする。
• 重いヒッグス状態（h3、A、H±）間の質量差の関数としてTパラメータを計算し、これがWボソン質量予測に直接的影響を与える。
• LEP、テバトロン、LHCからの実験的制約、特にヒッグスカップリングおよびヒッグスポータル相互作用の制限を含めて、モデルの予測をテストする。
• SLDおよびLEPからの有効な弱混合角の整合性を評価し、電弱精度データとの整合性を検証する。
• 同じ質量階層がTパラメータを増幅させる一方で、強い一次相転移を促進する可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実スカラー単粒子を有するN2HDMは、80.4335 GeVというCDFのWボソン質量測定値を他の実験的制約と整合させつつ説明可能か？
• RQ2 N2HDMのパラメータ空間内で、1つのヒッグスボソンが約95 GeVでCMSおよびLEPが観測したγγ、τ⁺τ⁻、およびb¯b過剰信号を同時に説明可能か？
• RQ3 重いヒッグス状態（h3、A、H±）間の質量差が、MWを標準模型予測を上回る値に引き上げるTパラメータの大きな寄与をどのように生成するか？
• RQ4 sin²θeffのような電弱精度観測量に対するモデルの整合性は、SLDおよびLEPのデータと比較してどの程度か？
• RQ5 Wボソン質量および低質量ヒッグス信号を説明する同じ質量階層が、バリオジェネシスおよび重力波生成に関連する強い一次電弱相転移を支持できるか？

主な発見

• ヤコビ型IVのYukawa型実スカラー単粒子を含むN2HDMは、CDFによるWボソン質量測定値（80.4335 GeV）と、γγ、τ⁺τ⁻、およびb¯b最終状態における約95 GeVの低質量ヒッグス過剰信号を同時に説明可能である。
• 3つのヒッグス過剰信号を説明するパラメータ空間は、h3とデュアルなAおよびH±状態間の質量差が主要因となり、Tパラメータの増幅をもたらし、MWをCDFの値に引き上げるのに十分な大きさを有する。
• モデルは、電弱精度データおよび加速器限界を含む、すべての現在の理論的・実験的制約と整合性を保っている。
• mh3 < mA ≈ mH±という質量階層は、強い一次電弱相転移を促進するが、同時に大きなTパラメータをもたらし、結果として高いMW予測を生じる。
• 同様に、CP奇のヒッグスボソンAを介して、CMSが約400 GeVの二トップ最終状態で観測した3.5σの過剰信号もモデルが説明可能である。
• 将来的にCDF結果を含むMWの世界平均値が、現在のPDG平均とCDF中央値の間にあると予想されるが、そのような状況下でもモデルは妥当であり、Tパラメータの値はわずかに低減する。