[論文レビュー] Interpreting the $\boldsymbol{W}$-Mass and Muon $\boldsymbol{(g_μ-2)}$ Anomalies within a 2-Higgs Doublet Model

Rachid Benbrik, Mohammed Boukidi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、フェルミラブのミュオン $(g_\mu-2)$ 異常とCDF-IIの $W$ ボソン質量測定を同時に説明できる、レプトンフラバー非保存を伴うタイプIII二ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を提案する。$H^\pm$, $A$, $H$ の電荷および中性ヒッグスボソン間の非ゼロの質量スプリングを導入することにより、実験的および理論的制約のもとで両方の異常をうまく統合できる。このモデルは負の $S$ パラメータ値を好み、CDF-IIの2022年結果と整合する $m_W$ を得る。

ABSTRACT

In this study, we investigate the anomalous magnetic moment of the muon $(g_μ-2)$ as reported by Fermilab (FNAL), along with the recent measurement of the $W$-boson mass by the CDF-II collaboration. Both findings show significant deviations from the predictions of the Standard Model (SM), hinting at the possibility of new physics. Our focus is on the Type III two-Higgs-doublet model (2HDM), wherein both Higgs doublets couple with all fermions, leading to the induction of flavour-changing neutral currents (FCNCs) at the tree level. Within this framework, we investigate a lepton-flavour-violating (LFV) scenario, aiming to explain both observed anomalies, while satisfying the up-to-date theoretical and experimental constraints.

研究の動機と目的

• フェルミラブのミュオン $g-2$ 実験が測定した 5.0σ のミュオン磁気モーメント異常 ($g_\mu-2$) を説明すること。
• 標準模型予測から 7σ 離れているCDF-II 2022年の $W$ ボソン質量測定値 ($m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV) を再統合すること。
• タイプIII 2HDMにおけるレプトンフラバー非保存（$\mu\!\to\!\tau$）のシナリオを検討し、木レベルのフレーバー変換中性荷電現在（FCNC）を誘導すること。
• 電弱精度観測量（EWPO）、$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$、および $\Delta a_\mu$ が2σ以内に収まるように、現在の理論的および実験的制約を満たすこと。
• 1つの2HDMフレームワークが、既存の制限に違反することなく、両方の異常を同時に説明できるかどうかを同定すること。

提案手法

• すべてのフェルミオンに結合する2つの複素SU(2)$_L$ ヒッグスダブルレット（$\Phi_1$, $\Phi_2$）を持つタイプIII 2HDMを採用し、木レベルのFCNCを生じさせる。
• レプトンフラバー非保存のヤクバイ相互作用を、$\chi_{ij}^{\ell}$ コエフで媒介し、$\mu\!\to\!\tau$ 遷移を実現する。
• $m_H - m_{H^\pm}$ および $m_H - m_A$ のパラメータスキャンを縮小し、$m_H = 125.09$ GeV および $c_{\beta-\alpha}$, $\tan\beta$, $\chi_{ij}^{\ell}$ を固定する。
• $S$ および $T$ パラメータを用いてモデルを制約し、$S$ パラメータの値が質量簡約を不利益にすることを示す。
• CDF-IIおよびPDG 2021のデータ（$m_W$ および $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$）と比較し、フェルミラブの $\Delta a_\mu$ 測定結果とも照合する。
• $\Delta a_\mu$（2σ以内）、$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 測定値（世界平均およびSLD）、ヒッグス質量および結合定数の理論的上限を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンフラバー非保存を伴うタイプIII 2HDMは、$g_\mu-2$ 異常とCDF-IIの $W$ ボソン質量測定を同時に説明できるか？
• RQ2 両方の異常および制約を満たすために、$H^\pm$, $A$, $H$ の間の必要なヒッグス質量スプリングは何か？
• RQ3 $S$ および $T$ パラメータはモデルをどのように制約し、CDF-IIおよびフェルミラブのデータに最も適合する値は何か？
• RQ4 CDF-IIが観測した $m_W$ 値は、$\Delta a_\mu$ 測定結果と組み合わせた2HDMフレームワークと整合するか？
• RQ5 有効な弱混合角 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ は、このシナリオにおける標準模型と2HDMの予測を区別する上で果たす役割は何か？

主な発見

• モデルは、CDF-IIの $W$ ボソン質量測定値（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）を2σ以内にうまく説明でき、$m_W$ の予測はCDF-IIデータおよびSLD測定と最も一致する。
• フェルミラブ測定値（$\Delta a_\mu = (25 \pm 4.8) \times 10^{-10}$）の2σ範囲内にモデルの $\Delta a_\mu$ 値が存在し、観測された異常と整合していることが示された。
• ヒッグスボソン $H$, $A$, $H^\pm}$ 間の質量簡約は不利益であり、両方の異常を満たすために非ゼロで負の $m_H - m_{H^\pm}$ スプリングが必要である。
• $S$ パラメータは負で非ゼロであることが判明し、CDF-IIの $m_W$ 測定と一致し、標準模型とは明確に区別される。
• モデルの $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 予測値は、CDF-IIでは [0.23107, 0.23130]、PDGでは [0.2314, 0.2316] の範囲にあり、実験データと整合している。
• $\Delta a_\mu$, $m_W$, $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$, および理論的上限をすべて満たすパラメータ点は、$m_H - m_{H^\pm}$ が非ゼロである場合にのみ存在し、ヒッグス質量スプリングが果たす重要な役割が示された。