[논문 리뷰] Higgs physics confronts the $M_W$ anomaly

Luca Di Luzio, Ramona Groeber외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 CDF 측정치가 표준모형 예측을 초과하는 $M_W$ 비정상성과 힉스 보존 붕괴 비율, 특히 $h\to\gamma\gamma$에서의 수정 간의 직접적 연결을 수립한다. 이 비정상성을 설명하기 위해 트리 수준의 $\hat{T}$ 이동을 생성하는 새로운 물리 모델을 체계적으로 분류하며, 무거운 새로운 상태(예: 스칼라 삼중항, $Z'$, 벡터 삼중항 등)를 포함하는 다섯 가지 타당한 시나리오를 규명한다. 이러한 상태들은 직접 발견에 실패했음에도 불구하고 힉스 신호에 감지 가능한 인상을 남길 수 있다.

ABSTRACT

The recent high-precision measurement of the $W$ mass by the CDF collaboration is in sharp tension with the Standard Model prediction as obtained by the electroweak fit. If confirmed, this finding can only be explained in terms of new physics effects. In this work, we point out a generic connection between the $M_W$ anomaly and Higgs physics observables such as $h oγγ, Zγ$ and the ratio $h o ZZ/WW$. Moreover, we systematically classify new physics scenarios which can address the $M_W$ anomaly via a tree-level contribution to the $\hat T$ parameter. These include a real scalar triplet, a scalar quadruplet with the same hypercharge of the Higgs doublet, a $Z'$ boson, a vector triplet with unit hypercharge and a vector boson with the gauge quantum numbers of the Higgs doublet. These solutions to the $M_W$ anomaly are characterized by new physics states which are typically too heavy to be discovered in direct searches, but which might leave their imprints in Higgs physics.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT)을 활용하여 $M_W$ 비정상성과 힉스 보존 붕괴 관측치(예: $h\to\gamma\gamma$, $Z\gamma$, $h\to ZZ/WW$) 사이의 일반적인 연결 고리를 수립한다.
• 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT) 프레임워크 내에서 $\hat{T}$ 매개변수에 트리 수준 기여를 생성하는 새로운 물리 시나리오를 식별하고 분류한다.
• 직접 탐지에 실패한 이러한 모델이 힉스 신호 강도에 어떻게 관측 가능한 인상을 남길 수 있는지 탐구한다.
• 이러한 모델이 SMEFT 프레임워크 내에서 타당한지 평가하고, 힉스 물리학에서의 현상학적 서명을 평가한다.

제안 방법

• 워싱턴 기저에서 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT)을 사용하여 힉스 두중항을 포함하는 차원 6 연산자와 $\hat{T}$, $\hat{S}$ 매개변수 간의 관계를 수립한다.
• SMEFT 유효 연산자 계수와 물리적 관측치 간의 대응 관계를 유도한다: $\hat{T} = -v^2 c_{HD}/2$ 및 $\hat{S} = (c_W/s_W) v^2 c_{HWB}$.
• 차원 $d \leq 4$ 상호작용을 갖는 명시적 UV 완전 모델(스칼라 및 벡터 다중항)을 분석하여, 루프 또는 트리 수준 매칭을 통해 $\hat{T}$ 및 $\hat{S}$ 기여를 계산한다.
• 신규 물리 기여에서 유도된 효과적 결합 수정을 계산함으로써, 특히 $h\to\gamma\gamma$의 결과로 나타나는 힉스 붕괴 비율을 평가한다.
• $\hat{T}$ 매개변수 제약 조건을 적용하여 $\hat{T} \sim 10^{-3}$를 만족시키기 위한 필수 결합 상수와 질량(예: $M_{\text{NP}} \sim 10$ TeV)을 유도한다.
• 표준 운동 에너지 항을 확보하기 위해 필드 재정의를 수행하고, 저에너지 EFT에서의 효과적 결합을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT) 프레임워크 내에서 $M_W$ 비정상성은 $h\to\gamma\gamma$ 및 $h\to Z\gamma$와 같은 측정 가능한 힉스 붕괴 비율의 이격과 연결될 수 있는가?
• RQ2 어떤 새로운 물리 모델이 $M_W$ 비정상성을 해결하기 위해 순서 $10^{-3}$의 트리 수준 $\hat{T}$ 이동을 생성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 모델의 현상학적 서명은 힉스 물리학에서, 특히 $h\to\gamma\gamma$ 및 $h\to ZZ/WW$ 비율에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 신규 물리 상태의 결합 상수와 질량은 $\hat{T}$ 크기와 그로 인한 힉스 신호 수정 정도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 결합 상수가 $\mathcal{O}(1)$이고 $M_{\text{NP}} \sim 10$ TeV인 모델은 직접 탐지 범위를 벗어나도 $M_W$ 비정상성을 설명할 수 있으며, 기존의 직접 탐지 제약 조건과도 일치하는가?

주요 결과

• 공통의 $d=6$ SMEFT 연산자에 의해 힉스 진공 기대값(VEV)이 포함되어 있기 때문에, $M_W$ 비정상성은 일반적으로 힉스 붕괴 비율, 특히 $h\to\gamma\gamma$에서의 수정과 연결된다.
• 비정상성에 의해 요구되는 양의 $\hat{T} \sim 10^{-3}$ 는 다섯 가지 다른 새로운 물리 모델을 통해 트리 수준 기여로 생성될 수 있다: 스칼라 삼중항, 스칼라 4중항, $Z'$, 벡터 삼중항, 벡터 이중항.
• 질량 $M_{\text{NP}} \sim 3$ TeV 및 $\mathcal{O}(1)$ 결합 상수 조건에서, 모델 $\mathcal{W}_1 \sim (1,3,1)_{\mathcal{V}}$ 는 $\hat{T} \approx 0.84 \times 10^{-3}$ 를 제공하며, 요구되는 이동과 일치한다.
• $\hat{S} \sim 10^{-3}$ 조건에서 $h\to\gamma\gamma$ 비율은 최대 $+20\%$까지 수정될 수 있으며, 이는 $M_W$ 비정상성에 대해 가장 민감한 관측치이다.
• $h\to Z\gamma$ 및 $h\to ZZ/WW$ 비율은 더 작은 이격을 보이며, 현재의 실험 감도 이하에 머물러 있다.
• 스칼라 4중항 모델 $\Theta_1 \sim (1,4,1/2)_{\mathcal{S}}$ 는 $\mathcal{O}(1)$ TeV 수준의 가벼운 상태가 필요하며, 삼중 힉스 자기결합 상수에서 큰 이격을 예측하여 타당성이 낮다.