[論文レビュー] Implications of the new CDF-II $W$-boson mass on two-Higgs-doublet models

Yang Hwan Ahn, Sin Kyu Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、標準模型予測から7σのずれを示すCDF-IIによるWボソン質量測定が、2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）のパrameter空間に与える制約を調査する。Wボソン質量と$¯{ m MS}$-再結合された弱混合角を組み合わせることで、SおよびTパラメータを用い、2HDMは125.1 GeVのヒッグスがより軽いCP不変スカラーである場合にのみCDF結果を説明可能であり、チャージドおよびニュートラルヒッグスの質量と混合角に顕著な制約が生じることを示す。

ABSTRACT

We present the implications of the recent measurement of $W$ boson at CDF II on the two-Higgs-doublet model (2HDM). In the analysis, we impose theoretical bounds such as vacuum stability and perturbative unitarity, and several experimental constraints. In addition, we take into account the measurement of $\sin^2θ_W(m_Z)_{ m \bar{MS}}$ on top of the CDF $W$-boson mass to investigate how the $S$ and $T$ parameters are determined. We explore two possible scenarios depending on whether the Higgs boson observed at the LHC is the lighter or heavier of $CP$-even neutral Higgs bosons for 2HDM type I and II. Using the results, we show how the parameter space is constrained, and compare it with the one based on the PDG average of $m_W$. Furthermore, we explore phenomenological consequences of electroweak precision observables that can be affected by $m_W$ within the predictions of the 2HDM, and the reduction in parameter space expected from future measurements at the Future Circular Lepton Collider.

研究の動機と目的

• CDF-IIによるWボソン質量測定（標準模型予測から7σのずれ）を説明できる2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）の妥当性を評価すること。
• CDF-IIの$m_W$測定値とPDGが公表する$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$の平均値を組み合わせることで、2HDMにおけるSおよびTパラメータに与える制約を検討すること。
• CDF-IIの$m_W$値とPDGの平均値を比較し、ヒッグスの質量と混合角に与える影響に注目して、2HDMの許容可能なパラメータ空間を検証すること。
• $m_W$のずれが電弱精度観測量、特に$Z$ボソンの崩壊幅に与える物性的影響を評価すること。
• 将来の未来円形レプトン衝突型加速器（FCC-ee）による測定が、2HDMの文脈においてCDF-IIと標準模型の予測をどのように区別できるかを予測すること。

提案手法

• SおよびTパラメータを用いて、2HDMにおけるスカラーセクターからの新しい物理の寄与をパラメータライズし、$m_W$および$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$のずれと関連付ける。
• 物理的整合性を保つために、真空安定性、摂動論的有界性、ユニタリティといった理論的制約を2HDMのパラメータ空間に課す。
• LEP、Tevatron、LHCからの実験的制約を適用し、タイプIおよびタイプIIの2HDMにおけるヒッグス状態の質量と結合定数を制限する。
• 2つのシナリオを検討する：(1) 125.1 GeVのヒッグスがより軽いCP不変スカラー（$M_h < 125.1$ GeV）であり、(2) より重いCP不変スカラー（$M_H > 125.1$ GeV）である。それぞれ異なるパラメータ空間の制約が生じる。
• CDF-IIの$m_W$とPDGの$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$の平均値を同時に再現できるSおよびTパラメータの許容領域を計算する。
• 将来のFCC-eeの可能性を評価し、特に$Z$ボソンの崩壊幅を含む電弱精度観測量の不確かさが500倍に減少すると予想され、CDF-IIと標準模型の予測を区別できると推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMは、$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeVというCDF-IIの測定値を、測定済みの$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$と整合させることができるか？
• RQ2 CDF-IIの$m_W$とPDGの平均$m_W$を用いた場合、SおよびTパラメータの許容領域にどのような違いが生じるか？
• RQ3 125.1 GeVのヒッグスがより軽いかより重いかのCP不変スカラーとして特定された場合、2HDMにおけるヒッグス状態の質量と混合角にどのような制約が生じるか？
• RQ4 2つのシナリオにおけるオブリークパラメータ$T$の必要値にどのような差が生じるか？また、これはチャージドおよびニュートラルヒッグスボソン間の質量差にどのような意味を持つのか？
• RQ5 将来のFCC-eeによる$Z$ポール観測量の測定は、2HDMの枠組み内でCDF-IIの$m_W$のずれと標準模型の予測をどの程度明確に区別できるか？

主な発見

• 125.1 GeVのヒッグスがより軽いCP不変スカラー（シナリオ1）である場合がより好ましく、CDF-IIの$m_W$と測定済みの$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$を両方とも満たす広範かつ整合性のあるパラメータ空間が得られる。
• 125.1 GeVのヒッグスがより重いCP不変スカラー（シナリオ2）である場合、必要なSパラメータは$-0.02$未満に低下し、$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$の値はPDG平均の3σ範囲内にわずかに収まるにとどまる。
• シナリオ2における好ましい質量差$M_{H^\pm} - M_h$は主に正であり、最大600 GeVに達する可能性があり、正の質量差に対してはTパラメータの許容領域が一続きの領域に制限される。
• 2HDM-IIでは、CDFの$m_W$を説明するために必要な軽いチャージドヒッグス質量が、特に$\bar{B} \to X_s \gamma$の制約と矛盾しており、$M_{H^\pm} > 600$ GeVであることが制限される。
• Tパラメータが$m_W$のずれに寄与する主要因であり、CDF-IIとPDGの$m_W$値を比較した場合、Tパラメータの許容領域は重複しない。
• 将来のFCC-eeによる測定では、不確かさが500倍に減少すると予想され、特に$Z$ボソンの崩壊幅が顕著にずれるため、CDF-IIの$m_W$のずれと標準模型の予測を明確に区別できると予測される。