[논문 리뷰] Electroweak Phase Transition in 2HDM under Higgs, Z-pole, and W precision measurements

H. Y. Song, Wei Su외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Computational Physics and Python Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Type-I 및 Type-II Two-Higgs-Doublet Models(2HDMs)에서 강한 일阶 전자기상전이(SFOEWPT)가 CDF-II의 상승된 $m_W$ 측정치와 호환되는지 조사한다. 두 2HDM 유형 모두 현재의 제약 조건 하에서 SFOEWPT, $m_W$ 이격, 정밀도 측정값(정밀한 힉스 및 Z-포일 측정)을 동시에 충족시킬 수 있으며, 허용 영역은 Type-I의 경우 중량 힉스 질량 분리 $ abla m_{A/C} \in (-400,400)$ GeV 및 $ an\beta \in (1,50)$, Type-II의 경우 $ abla m_{A/C} \in (-200,300)$ GeV 및 $ an\beta \in (1,12)$로 정의된다. 향후 레프톤 충돌기 측정치에서 SM 예측과의 편차가 관측되지 않으면 이 시나리오를 배제할 수 있다.

ABSTRACT

In this work we revisit the existence of a strong first order electroweak phase transition (SFOEWPT) and recent $m_W$ precision measurement in the Type-I and Type-II 2HDMs. The O(100) GeV new scalars in 2HDMs are favored by SFOEWPT, which is necessary for electroweak baryogenesis, and observed $m_W$ shift as well. % We find that under current constraints, both Type-I and Type-II 2HDM can explain the SFOEWPT, Z-pole, Higgs precision measurements and $m_W$ precision measurement of CDF-II at same time, and all these precision measurements are sensitive to heavy Higgs mass splitting in 2HDM. The allowed regions are $Δm_{A/C} \in (-400, 400) GeV, anb\in(1,50)$, and $Δm_{A/C} \in (-200, 300) GeV, anb\in(1,12)$ for Type-I and Type-II 2HDM respectively. Furthermore future lepton collider measurements on Higgs and $Z$ boson properties can explore this scenario in more detail or even rule out it.

연구 동기 및 목표

• Type-I 및 Type-II 2HDM이 동시에 강한 일계 전자기상전이(SFOEWPT)와 CDF-II의 상승된 $m_W$ 측정치를 수용할 수 있는지 평가하기 위해.
• 이 모델들이 LHC 및 기타 실험에서의 현재 힉스 및 Z-포일 정밀도 측정치와 일치하는지 검토하기 위해.
• 현재 $ aban\beta$, $m_H$, 및 무거운 힉스 질량 분리 $ abla m_{A/C}$ 제약 조건 하에서 SFOEWPT 및 $m_W$ 이격을 위한 타당한 매개변수 공간을 규명하기 위해.
• 향후 레프톤 충돌기(예: CEPC, FCC-ee, ILC)의 감도를 평가하여 SM과 SFOEWPT + 상승된 $m_W$ 시나리오를 2HDM에서 구별할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 모든 제약 조건을 충족하는 점들을 식별하기 위해 2HDM 매개변수 공간 전체를 대상으로 전반적인 매개변수 스캔을 수행한다. 이는 $m_H$, $ abla\beta$, 무거운 힉스 질량 분리 $ abla m_{A/C}$ 포함.
• 1-순서 교정을 통한 옴부리 파라미터 $S$, $T$, $U$의 수정이 이루어지며, 이는 $m_W$ 이격을 매개하고 중량 힉스 질량 분리와 연결한다.
• 유한 온도 효과적 포텐셜 계산을 통해 SFOEWPT를 평가하며, 대칭상태와 비대칭 상태 사이에 충분히 높은 에너지 장벽이 있어야 한다.
• 추가 힉스 보손에 대한 직접적인 LHC 탐색 결과를 적용하여 큰 결합 상수 또는 낮은 질량 영역을 배제한다.
• 향후 레프톤 충돌기(CEPC, FCC-ee, ILC)에서의 정밀도 측정치를 시뮬레이션하며, 옴부리 파라미터에 대해 약 1% 수준의 예측 불확도와 향상된 힉스 결합 측정치를 적용한다.
• 현재 허용 영역(초록 점)과 향후 정밀도 제약 조건을 통과한 영역(빨간 점)을 비교하여, 만약 SM 예측과의 편차가 관측되지 않으면 어떤 영역이 배제될 수 있는지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Type-I 및 Type-II 2HDM은 동시에 강한 일계 전자기상전이(SFOEWPT)와 CDF-II의 상승된 $m_W$ 측정치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 현재 힉스 및 Z-포일 정밀도 측정치는 SFOEWPT 및 $m_W$ 이격의 맥락에서 2HDM의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 무거운 힉스 질량 분리($ abla m_{A/C}$)는 $m_W$ 이격을 어떻게 매개하고 SFOEWPT를 가능하게 하는가?
• RQ4 CEPC, FCC-ee 또는 ILC에서의 향후 레프톤 충돌기 측정치는 SFOEWPT + 상승된 $m_W$ 시나리오를 2HDM에서 얼마나 잘 배제하거나 확인할 수 있는가?
• RQ5 향후 고정밀 실험에서 이 시나리오를 나타내는 Higgs 및 Z-보손 결합에 특별한 서명이 존재하는가?

주요 결과

• Type-I 및 Type-II 2HDM은 현재 실험적 불확도 하에서 SFOEWPT, CDF-II의 $m_W$ 측정치, 현재의 힉스 및 Z-포일 정밀도 제약 조건을 동시에 충족시킬 수 있다.
• 허용 매개변수 영역은 Type-I 2HDM의 경우 $ abla m_{A/C} \in (-400,400)$ GeV 및 $ an\beta \in (1,50)$, Type-II 2HDM의 경우 $ abla m_{A/C} \in (-200,300)$ GeV 및 $ an\beta \in (1,12)$로 제한된다.
• 2HDM에서의 $m_W$ 이격은 무거운 힉스 질량 분리 $ abla m_{A/C}$에 직접적으로 민감하며, 이는 옴부리 파라미터와 힉스 결합에 영향을 준다.
• CEPC, ILC 또는 FCC-ee에서 옴부리 파라미터에 대해 1% 정밀도를 확보한 향후 레프톤 충돌기 측정치는 만약 SM 예측과의 편차가 관측되지 않으면 SFOEWPT + 상승된 $m_W$ 시나리오를 배제할 수 있다.
• 만약 SFOEWPT + 상승된 $m_W$ 시나리오가 옳다면, 향후 실험에서는 높은 신뢰수준에서 SM 예측과의 명백한 편차를 관측할 것이다.
• 매개변수 공간의 빨간 점들(향후 제약 조건을 통과한 영역)은 현재 허용 영역인 초록 점들과 분리되어 있으며, 이는 향후 정밀도 데이터가 현재의 타당 영역을 배제할 수 있음을 시사한다. 유일한 조건은 새로운 물리학이 확인될 경우이다.