[論文レビュー] The 2HD+a model for a combined explanation of the possible excesses in the CDF $\mathbf{M_W}$ measurement and $\mathbf{(g-2)_μ}$ with Dark Matter

Giorgio Arcadi, A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、2HDMに軽いパラメータのスカラーヒッグス粒子と安定なシングレットフェルミオンを追加した2HD+aモデルを提案する。このモデルは、CDF実験における$W$ボソン質量$M_W$の異常とミュオンの$g-2$異常を同時に説明するとともに、妥当なダークマター候補を提供する。質量非-degeneracyを重いヒッグス状態に導入することで、$\rho$パラメータが補正され、他の精度物理的制約やダークマターの実験的制約と矛盾しない形でCDFの$M_W$測定値が再現される。

ABSTRACT

The new measurement of the $W$ boson mass performed by the CDF experiment at the Tevatron shows a significant deviation not only with the expectation in the Standard Model but also with other precision measurements performed at LEP, the Tevatron and the LHC. We nevertheless take this new measurement at face value and interpret it as an effect of new physics. We particularly try to link it with other possible anomalies such as the recent muon $g-2$ and consider a scenario that addresses some shortcomings of the Standard Model. We show that a model with two doublets and a light pseudoscalar Higgs fields, supplemented by a stable isosinglet fermion, can simultaneously explain the possible $M_W$ and $(g-2)_μ$ anomalies and accounts for the weakly interacting massive particle that could be responsible of the dark matter in the universe.

研究の動機と目的

• CDF実験の$M_W$測定値が標準模型（SM）から約7σずれているのを、新しい物理を用いて理論的期待値と一致させる。
• ミュオンの異常磁気モーメント$(g-2)_\mu$の4.2σのずれを統一的枠組み内で説明する。
• 宇宙論的密度および直接/間接検出制約と整合する弱い相互作用を示す巨大粒子（WIMP）としての妥当なダークマター候補を提供する。
• 重いヒッグス状態のデュアリティを仮定しない2HDM+軽いパラメータのスカラーヒッグスモデルを拡張し、$\rho$パラメータの補正が$M_W$に影響するようにする。
• $B$中間子の崩壊、LHCヒッグス探索、電弱精度測定からの既存の制約と整合性を保つ。

提案手法

• 標準模型のヒッグスセクターを2つのヒッグスダブルレットと軽いパラメータのスカラーヒッグス$ a $ボソンで拡張し、ミュオンへの結合が強化されている。
• 安定なSU(2)シングレットフェルミオン$\chi$をダークマター候補として導入し、直接および間接検出限界によってその質量と結合定数が制約される。
• $\rho$パラメータの補正は、非デュアリティな重いヒッグス状態（$H$, $A$, $H^\pm$）に起因する$\Delta\rho$シフトによって計算され、$M_W$に影響を与える。
• $T$パラメータは$\rho$パラメータのシフトを定量化するもので、CDFの$M_W$値に一致させるには$T \in [0.16, 0.21]$が必須である。
• モデルの妥当性は$S,T,U$形式を用いてテストされ、$b\to s\mu^+\mu^-$、$b\to s\gamma$、およびLHCヒッグス探索からの制約が適用される。
• すべての制約を満たすベンチマーク点が生成され、$\Delta a_\mu$は1σレベル、$M_W$はCDFの値と一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HD+aモデルは、既存の制約に反しない範囲で、CDFの$M_W$超過とミュオン$(g-2)_\mu$異常を同時に説明できるか？
• RQ2 重いヒッグス状態（$H$, $A$, $H^\pm$）間の質量非デュアリティが$\rho$パラメータおよび$M_W$に与える影響は何か？
• RQ3 軽いパラメータのスカラーヒッグス$ a $がミュオン結合を強化する役割を果たす一方で、加速器および天体物理学的限界と整合するか？
• RQ4 モデルは、観測されたリlic密度および検出制約と整合する安定で弱い相互作用を示すダークマター候補を提供できるか？
• RQ5 CDFの$M_W$測定値を再現するための$T$パラメータ補正が$[0.16, 0.21]$の範囲に収まるパラメータ空間はどのようなものか？

主な発見

• モデルは、重いヒッグスセクター内の質量非デュアリティに起因する$\Delta\rho$補正によって、CDFの$M_W$値$80.4335 \pm 0.0094~{\rm GeV}$を再現する。
• $T$パラメータが$[0.16, 0.21]$の範囲にあることが、CDFの$M_W$測定値に一致するため必須であり、$S,T,U$形式と整合的である。
• モデルは、$b\to s\mu^+\mu^-$および$b\to s\gamma$崩壊からの制約を満たしつつ、$(g-2)_\mu$異常を1σレベルで説明でき、$\Delta a_\mu \approx 10^{-11}$である。
• ダークマター候補$\chi$は安定であり、直接および間接検出制約を満たしており、質量は$100-1000~{\rm GeV}$の範囲にあり、$a$ボソンから約100 GeVの質量差を示す。
• モデルは摂動的かつユニタリ性を保ち、$a$-$A$混合に起因するユニタリティ制約により$M_A \lesssim 1.4~{\rm TeV}$である。
• $T$-$\Delta a_\mu$平面に重複領域が存在し、両方の異常がモデル内で同時に説明可能であることが示された。