[論文レビュー] Signal strength and W-boson mass measurements as a probe of the electro-weak phase transition at colliders -- Snowmass White Paper

Andreas Papaefstathiou, Tania Robens+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、電弱重ね合わせ生成に不可欠な強い一次電磁転移（SFO-EWPT）を可能にする標準模型のシングレットスカラーモデルの拡張を調査する。125 GeVのヒッグス粒子の信号強度測定と精度の高いWボソン質量データを用いて、現在および将来の衝突型加速器が有効なSFO-EWPT領域を探索可能であることを示す。Wボソン質量の不一致とヒッグス信号強度が、混合角およびスカラー質量の強力な制約をもたらす。

ABSTRACT

We consider an extension of the scalar sector of the Standard Model (SM) by an additional gauge singlet, which mixes with a part of the SM-like Higgs doublet. Within this model, parameter-space regions exist that can lead to a strong first-order electro-weak phase transition, a necessary condition for electro-weak baryogenesis. We discuss how such regions of the parameter space can be tested using the SM-like Higgs boson's signal strength measurements, as well as precision observables, such as e.g. the W-boson mass, at current and future colliders.

研究の動機と目的

• 電弱バリオン生成に不可欠な条件である強い一次電磁転移（SFO-EWPT）を支持する、標準模型のシングレットスカラー拡張における有効なパラメータ空間領域を特定すること。
• 125 GeVヒッグス粒子の信号強度とWボソン質量の高精度測定を用いて、現在および将来の衝突型加速器がSFO-EWPT領域にどの程度感度を持つかを評価すること。
• ゲージパラメータや正規化スケールの変動に対してSFO-EWPTが安定である「極めて慎重な」点に注目し、理論的堅牢性を評価すること。
• 現在の実験データ（Wボソン質量の不一致とヒッグス信号強度の制限）を用いてモデルを制約し、高精度加速器における将来の感度を予測すること。

提案手法

• モデルは、実ゲージシングレットスカラー場を標準模型のヒッグスダブルットと混合させることで、スカラー系を拡張し、新たな5つのパラメータ（$K_1$, $K_2$, $M_S$, $\rho$, $\rho_S$）を導入する。
• 有限温度の有効ポテンシャルを用いて転移の性質を評価し、1ループ補正と赤外モードのリーマン・サブスティチューション（Arnold-Espinosa法）を適用することで、ゲージ依存的ではあるが堅牢な結果を得る。
• 5パラメータ空間におけるランダムスキャンを実施し、ゲージパラメータや正規化スケールの変動に対してもSFO-EWPTが安定である「極めて慎重な」点のみを選別する。
• 信号強度の制約は、関係式 $\cos^2\theta \gtrsim \mu$ から導出され、ATLASの測定結果 $\mu = 1.06 \pm 0.06$ より、95%信頼水準で $|\sin\theta| \lesssim 0.24$ が得られる。
• 更新された標準模型パラメータを用いてWボソン質量補正を計算し、$m_W^{\text{SM}} = 80.356$ GeV に対して実験的測定値 $m_W^{\text{exp}} = 80.379 \pm 0.012$ GeV が得られ、約 $1.9\sigma$ の不一致が生じる。
• 将来の加速器感度は、信号強度の精度がそれぞれ5%、1%、0.1%と仮定し、95%信頼水準で $|\sin\theta| = 0.32$、$0.14$、$0.04$ に対応すると予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的曖昧性に依存しない、理論的に堅牢な強い一次電磁転移を実現する、シングレットスカラー模型のパラメータ空間のどの領域が有効であるか？
• RQ2 125 GeVヒッグス粒子の現在の信号強度測定は、標準模型に類似したヒッグスと新しいスカラー状態との混合角にどの程度制約をもたらすか？
• RQ3 Wボソン質量の観測された $1.9\sigma$ の不一致が、シングレットスカラー模型における新しい物理学の探査にどの程度有効か？
• RQ4 将来の衝突型加速器によるヒッグス信号強度の高精度測定は、SFO-EWPTを持つモデルにおける混合角とスカラー質量の制約をどの程度改善するか？
• RQ5 直接探索（HiggsBoundsを介して）、摂動論的性質、および高精度観測量の間には、有効なSFO-EWPT領域を制約する上でどのような相互作用があるか？

主な発見

• スキャンで特定された「極めて慎重な」パラメータ点は、ゲージパラメータや正規化スケールの変動に対しても、強い一次電磁転移を示し、理論的堅牢性を保つ。
• 現在の信号強度測定により、95%信頼水準で混合角は $|\sin\theta| \lesssim 0.24$ に制限され、これは $\cos^2\theta \gtrsim 0.94$ に相当する。
• 現在の標準模型予測と実験的測定値との間の $1.9\sigma$ の不一致は、非常に強い制約をもたらし、重いスカラー状態からの1ループ補正が $m_W$ に負の寄与をもたらす。
• ヒッグス信号強度の精度が $0.1\%$ に達する将来の加速器では、混合角 $|\sin\theta| = 0.04$ まで探査可能となり、微小混合状態の感度が著しく向上する。
• SFO-EWPT条件を満たすが、直接探索で除外される点はパラメータ空間で黄色で示され、10 TeVでの摂動論的でない点は青で示され、摂動論的性質と直接探索の役割が顕在化する。
• 第二のスカラーが重くならず、混合が小さい領域でのみモデルは有効であり、重いスカラーはWボソン質量の不一致を悪化させ、直接探索でも制約を受ける。