[논문 리뷰] Excesses in the low-mass Higgs-boson search and the $\varvec{W}$-boson mass measurement

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 최근 CDF에서 측정된 W 보손 질량(80.4335 GeV)이 표준모형 예측을 크게 초과하는 데 대해, 요약형 양자수축형 보손 모형(Yukawa type IV)으로 확장된 실수 스칼라 싱게렛을 포함한 두 히iggs 두중체 모형(N2HDM) 내에서 설명 가능하다고 제안한다. 동일한 모형은 γγ, τ⁺τ⁻ 및 b¯b 최종 상태에서 약 95 GeV에서 관측된 히그스 붕괴 신호 과잉을 동시에 설명할 수 있으며, 무거운 히그스 상태 간 질량 분리가 T-파rameter 기여를 크게 만들어 MW를 표준모형 예측을 초월해 CDF 측정값과 일치시킨다.

ABSTRACT

The CDF collaboration recently reported a measurement of the $W$-bososmass, $M_W$, about seven standard deviations above the Standard Model(SM). The question arises whether extensions of the SM exist that canaccomodate such large values, and what further phenomenologicalconsequences arise from this.A different type of deviation from the SM has been observedexperimentally in the searches for light Higgs bosons. CMS has observedtwo $\sim 3\,\sigma$ in the $\gamma\gamma$ and $ au^+ au^-$ final states for ahypothetical Higgs-boson mass of $\sim 95$ GeV. These two excesses arecompatible with the corresponding ATLAS limits. A third excess wasobserved in the $b \bar b$ final state at the $\sim 2\,\sigma$ level at aboutthe same Higgs-boson mass.It was shown recently that the three excesses can be described the the2HDM extended with a real singlet (N2HDM) of Yukawa type~IV, while beingin agreement with all other theoretical and experimental constraints.We demonstrate that the parameter space that accomodates the threeexcesses can also give a large contribution to $M_W$ in agreement withthe recent CDF measurement. We discuss further phenomenologicalconsequences of this scenario

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 새로운 물리학을 통해 CDF에서 측정한 W 보손 질량의 큰 이심(80.4335 GeV)을 설명할 수 있는지 조사하기 위해
• 동일한 모형이 CMS 및 LEP 데이터에서 약 95 GeV에서 관측된 다수의 저질량 히그스 과잉 신호를 동시에 설명할 수 있는지 결정하기 위해
• CDF의 W 보손 질량 비정상성과 저질량 히그스 신호를 통합하는 모형의 현상학적 결과를 탐색하기 위해
• 모형이 이포타르 전기약력 정밀도 관측치 및 입자충돌 실험 제한 조건을 포함한 이론적·실험적 제약 조건과 일치하는지 평가하기 위해

제안 방법

• 연구는 요약형 양자수축형 보손 모형(Yukawa type IV)으로 확장된 실수 스칼라 싱게렛을 포함한 두 히그스 두중체 모형(N2HDM)을 사용한다. 이는 약 95 GeV에서 싱게렛 유사 히그스 보손을 가능하게 한다.
• 모형의 매개변수 공간을 수치적으로 스캔하여 γγ, τ⁺τ⁻ 및 b¯b 과잉 신호를 각각 약 3σ의 局소 유의수준으로 동시에 설명할 수 있는 영역을 식별한다.
• 무거운 히그스 상태(h3, A, H±) 간 질량 분리의 함수로 T-파rameter를 계산하며, 이는 직접적으로 W 보손 질량 예측에 영향을 준다.
• 모형의 예측은 LEP, 테바트론, LHC의 실험 제약 조건, 즉 히그스 결합 및 히그스 포털 상호작용 제한 조건과 비교된다.
• SLD 및 LEP의 효과적 약한 혼합 각도 데이터와의 일치성을 평가하기 위해 모형이 전기약력 정밀도 데이터와의 일치성 여부를 평가한다.
• 강한 1차 전이를 유도하는 질량 계층이 동일한 질량 분리에 의해 발생할 수 있는지 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실수 스칼라 싱게렛을 포함한 N2HDM는 CDF에서 측정한 80.4335 GeV의 W 보손 질량 측정값을 다른 실험 제약 조건과 일치시키면서 설명할 수 있는가?
• RQ2 N2HDM 내에서 약 95 GeV에 위치한 단일 히그스 보손이 CMS 및 LEP에서 관측된 γγ, τ⁺τ⁻ 및 b¯b 과잉 신호를 동시에 설명할 수 있는 매개변수 영역이 존재하는가?
• RQ3 무거운 히그스 상태(h3, A, H±) 간 질량 분리가 T-파라미터 기여를 크게 만들어 MW를 표준모형 예측을 초월해 높이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 SLD 및 LEP의 데이터와 비교했을 때, 모형이 전기약력 정밀도 관측치인 sin²θeff와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 W 보손 질량 비정상성과 저질량 히그스 신호를 설명하는 데 기여하는 동일한 질량 계층이 강한 1차 전이를 가능하게 하여, 비대칭성 생성 및 중력파 생성에 관련된 현상에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 요약형 양자수축형 보손 모형(Yukawa type IV)으로 확장된 실수 스칼라 싱게렛을 포함한 N2HDM는 CDF에서 측정한 W 보손 질량(80.4335 GeV)과 γγ, τ⁺τ⁻ 및 b¯b 최종 상태에서 관측된 약 95 GeV의 저질량 히그스 과잉을 동시에 설명할 수 있다.
• 세 개의 히그스 과잉을 설명하는 매개변수 영역은 h3와 A, H± 상태가 일치하는 경우에 비해 h3와 이들의 질량 분리를 통해 충분한 T-파라미터 기여를 유도하며, 이는 MW를 CDF 측정값 수준까지 높인다.
• 모형은 이론적 및 실험적 제약 조건, 전기약력 정밀도 데이터 및 충돌 실험 제한 조건을 포함해 현재까지의 모든 제약 조건과 일치한다.
• mh3 < mA ≈ mH±의 질량 계층은 강한 1차 전이를 유도하는 데 유리하며, 자연스럽게 큰 T-파라미터와 높은 MW 예측을 초래한다.
• CP-홀드 히그스 보손 A를 통해 CMS에서 약 400 GeV에서 관측된 디톱 최종 상태의 3.5σ 과잉도 모형이 수용할 수 있다.
• 향후 CDF 결과를 포함한 MW의 세계 평균값은 현재 PDG 평균값과 CDF 중심값 사이에 위치할 가능성이 높으며, 이 경우에도 모형은 약간 감소한 T-파라미터 값을 유지하면서 타당성을 유지한다.