[論文レビュー] Status of the two-Higgs-doublet model in light of the CDF $m_W$ measurement

Soojin Lee, Kingman Cheung+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、CDF連携による正確な $m_W$ 測定（標準模型予測から $7\sigma$ のずれを示す）が二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDM）に与える影響を調査する。新しい $m_W$ 値から導かれる斜めパラメータ $S$ と $T$ を用いて、2HDM のパラメータ空間に厳密な制約を課し、通常の状況では $M_{H,A,H^\pm} \lesssim 1.1\,\text{TeV}$ の上限を得た。逆転状況では $M_{H^\pm} \lesssim 450\,\text{GeV}$、$M_A \lesssim 420\,\text{GeV}$ であり、逆転状況におけるタイプIIおよびYモデルは完全に除外された。

ABSTRACT

The most recent $W$-boson mass measurement by the CDF collaboration with a substantially reduced uncertainty indicates a significant deviation from the standard model prediction, as large as $7σ$ if taken literally. Then the Peskin-Takeuchi parameters of $S$ and $T$ shift to larger values, which has profound consequences in searching for physics beyond the SM. In the framework of two-Higgs-doublet models, we study the effect of the new $W$-boson mass measurement on the parameter space. Combined with other constraints including theoretical requirements, flavor-changing neutral currents in $B$ physics, the cutoff scale above 1 TeV, Higgs precision data, and direct collider search limits from the LEP, Tevatron, and LHC experiments, we find upper bounds on the masses of the heavy Higgs bosons: $M_{H, A, H^\pm} \lesssim 1.1$ TeV in type I, II, X, and Y for the normal Higgs scenario; $M_{H^\pm} \lesssim 450 $ GeV and $M_{A} \lesssim 420 $ GeV in type I and X for the inverted scenario where the heavier $CP$-even Higgs boson is the observed one. Another important finding is that type II and type Y in the inverted scenario are completely excluded. Such unprecedented findings imply that the upcoming LHC run can readily close out a large portion of the still-available parameter space.

研究の動機と目的

• CDFの $m_W$ 測定が標準模型予測から $7\sigma$ のずれを示すという事実を踏まえ、二重ヒッグス・ダブルレット模型（2HDM）の妥当性を評価すること。
• 新しい $m_W$ 値から導かれる更新された斜めパラメータ $S$ と $T$ が2HDMの許容パラメータ空間に与える影響を特定すること。
• フラーバー変換中性荷電現在、ヒッグス精度測定データ、コライダー探索限界、ユニタリティ、真空安定性、および1 TeVを超えるカットオフスケールを含む包括的制約を適用すること。
• 4つの2HDMタイプ（I, II, X, Y）すべてにおいて通常および逆転ヒッグス状況を比較し、新しいデータ下で生き残るモデルを同定すること。

提案手法

• 研究はペスキ・タケウチの斜めパラメータ $S$ と $T$ をグローバルフィットフレームワークとして用い、次元8の演算子による寄与が無視できるため $U=0$ と設定した。
• CDFの $m_W$ 測定から更新された $S = 0.15 \pm 0.08$ および $T = 0.27 \pm 0.06$ を導出し、2HDMのパラメータ空間を制約するために用いた。
• 理論的制約（ユニタリティ、摂動論的安定性、真空安定性）を組み込み、16通りの2HDMタイプとヒッグス状況（通常／逆転）の組み合わせについて体系的なスキャンを実施した。
• $B$ 物理からのフラーバー制約、LEP、テバトロン、LHCからの直接的コライダー限界、およびカットオフスケール $\Lambda_c > 1\,\text{TeV}$ を適用し、妥当なパラメータ点を絞った。
• CDFの $m_W$ 制約を適用する前後でのパラメータ点の生存率を比較し、新データが補正模型物理学に強い制限を加えることを明らかにした。
• 最終的な結果は、逆転状況におけるタイプIおよびXの $t_\beta$ 対 $|s_{\beta-\alpha}|$ 平面に可視化され、相関関係と許容範囲が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDFの $m_W$ 測定から得られた更新された斜めパラメータ $S$ と $T$ は、二重ヒッグス・ダブルレット模型のパラメータ空間にどのように制約を加えるか？
• RQ2 2HDMの通常および逆転ヒッグス状況における重いヒッグスボソン $H$、$A$、$H^\pm$ の質量に上限は存在するか？
• RQ3 新しい $m_W$ 測定下で、2HDMのどのタイプ（I, II, X, Y）が妥当であり、どのタイプが除外されるか？
• RQ4 新しいデータ下で、$\tan\beta$ の値は通常および逆転状況においてどのように制限されるか？
• RQ5 カットオフスケール $\Lambda_c$ を1 TeV以上に引き上げた場合、2HDMのパラメータ空間の妥当性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 通常ヒッグス状況では、タイプI, II, X, Yの全範囲で重いヒッグスボソンの質量上限が $M_{H,A,H^\pm} \lesssim 1.1\,\text{TeV}$ である。
• 逆転ヒッグス状況では、タイプIおよびXにおいて $M_{H^\pm} \lesssim 450\,\text{GeV}$ および $M_A \lesssim 420\,\text{GeV}$ の上限が得られた。
• 逆転状況におけるタイプIIおよびタイプYは、新しい $m_W$ 測定を含む統合的制約により完全に除外された。
• 通常状況では $\tan\beta$ が上界を持つ：タイプIでは $\tan\beta \lesssim 45$、タイプIIでは $8$、タイプXでは $43$、タイプYでは $17$。
• 逆転状況ではタイプIおよびXにおいて $\tan\beta$ は制限されないが、許容パラメータ空間内では制約が与えられないままである。
• カットオフスケール $\Lambda_c$ を1 TeVを超えて引き上げると、2HDMの妥当なパラメータ空間がさらに制限される。