[論文レビュー] Higgs physics confronts the $M_W$ anomaly

Luca Di Luzio, Ramona Groeber+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、CDFが観測した$M_W$の異常（標準模型の予測を上回る測定値）と、特に$h\to\gamma\gamma$におけるヒッグス粒子の decay 率の変更との直接的な関連を確立する。この異常を説明するための木レベルの$\hat{T}$シフトを生成する新しい素粒子モデルを体系的に分類し、重い新しい状態（例えばスカラー三重項、$Z'$、ベクトル三重項など）を含む5つの妥当なシナリオを同定する。これらのモデルは直接発見を逃れても、ヒッグス信号に検出可能なインプリントを残す可能性を有する。

ABSTRACT

The recent high-precision measurement of the $W$ mass by the CDF collaboration is in sharp tension with the Standard Model prediction as obtained by the electroweak fit. If confirmed, this finding can only be explained in terms of new physics effects. In this work, we point out a generic connection between the $M_W$ anomaly and Higgs physics observables such as $h oγγ, Zγ$ and the ratio $h o ZZ/WW$. Moreover, we systematically classify new physics scenarios which can address the $M_W$ anomaly via a tree-level contribution to the $\hat T$ parameter. These include a real scalar triplet, a scalar quadruplet with the same hypercharge of the Higgs doublet, a $Z'$ boson, a vector triplet with unit hypercharge and a vector boson with the gauge quantum numbers of the Higgs doublet. These solutions to the $M_W$ anomaly are characterized by new physics states which are typically too heavy to be discovered in direct searches, but which might leave their imprints in Higgs physics.

研究の動機と目的

• $M_W$の異常とヒッグス粒子の decay 実験観測量（$h\to\gamma\gamma$、$Z\gamma$、$h\to ZZ/WW$）との一般的な関連を確立すること。
• $M_W$の異常を説明するための木レベルの$\hat{T}$パラメータへの寄与を生成する新しい素粒子モデルを同定・分類すること。
• 直接検出が不可能なほど重いこれらのモデルが、ヒッグス信号強度にどのように観測可能なインプリントを残すかを調査すること。
• SMEFTフレームワーク内でのこれらのモデルの妥当性を評価し、ヒッグス物理学におけるその物性的シグネチャを評価すること。

提案手法

• 標準模型効果的場理論（SMEFT）をワルサワ基底で用い、$\hat{T}$および$\hat{S}$パラメータをヒッグスダブルレットを含む次元6オペレーターに関連付ける。
• $\hat{T} = -v^2 c_{HD}/2$および$\hat{S} = (c_W/s_W) v^2 c_{HWB}$として、SMEFTのウィルソン係数と物理的観測量との対応関係を導出する。
• 次元$d \leq 4$の相互作用を持つUV完全モデル（スカラーおよびベクトル多重項）を明示的に分析し、ループまたは木レベルのマッチングにより$\hat{T}$および$\hat{S}$の寄与を計算する。
• 新しい素粒子の寄与から生じる有効結合の変更を計算することで、結果としてのヒッグス崩壊率（特に$h\to\gamma\gamma$）を評価する。
• $\hat{T}$パラメータの制約を適用し、$\hat{T} \sim 10^{-3}$を達成するための必要な結合定数と質量（例：$M_{\text{NP}} \sim 10$ TeV）を導出する。
• 正規化された運動項を保つために場の再定義を実施し、低エネルギーEFTにおける有効結合を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $M_W$の異常は、$h\to\gamma\gamma$ や $h\to Z\gamma$ といった測定可能なヒッグス粒子崩壊率のずれと結びつけることができるか？
• RQ2 どの新しい素粒子モデルが、$M_W$の異常を解消するための木レベルの$\hat{T}$シフト（$10^{-3}$オーダー）を生成できるか？
• RQ3 このようなモデルがヒッグス物理学において、特に$h\to\gamma\gamma$ や $h\to ZZ/WW$ 率において、どのような物性的シグネチャを示すか？
• RQ4 新しい素粒子状態の結合定数と質量が、$\hat{T}$ の大きさおよびそれに伴うヒッグス信号の変更にどのように影響を与えるか？
• RQ5 結合定数が$\mathcal{O}(1)$で$M_{\text{NP}} \sim 10$ TeVであるモデルは、直接探索の上限と整合しながら$M_W$の異常を説明できるか？

主な発見

• $M_W$の異常は、ヒッグス真空期待値を含む次元6のSMEFTオペレーターを共有するため、一般にヒッグス崩壊率（特に$h\to\gamma\gamma$）の変更と関連している。
• 異常によって要求される正の$\hat{T} \sim 10^{-3}$は、スカラー三重項、スカラー四重項、$Z'$、ベクトル三重項、ベクトル二重項という5つの明確に異なる新しい素粒子モデルからの木レベルの寄与によって生成可能である。
• $M_{\text{NP}} \sim 3$ TeVおよび$\mathcal{O}(1)$の結合定数の下で、モデル$\mathcal{W}_1 \sim (1,3,1)_{\mathcal{V}}$は$\hat{T} \approx 0.84 \times 10^{-3}$を生成し、必要なシフトと一致する。
• $\hat{S} \sim 10^{-3}$の下で、$h\to\gamma\gamma$率は最大で+20\%まで変化し、$M_W$の異常に対して最も感受性が高い観測量である。
• $h\to Z\gamma$および$h\to ZZ/WW$率のずれは小さく、現在の実験の感度を超えていない。
• スカラー四重項モデル$\Theta_1 \sim (1,4,1/2)_{\mathcal{S}}$は、$\mathcal{O}(1)$ TeVの軽い状態を必要とし、三重ヒッグス自己結合に大きなずれを予測するため、あまり妥当ではない。