[논문 리뷰] Implication of the $W$ boson mass anomaly at CDF II in the Higgs triplet model with a mass difference

Shinya Kanemura, Kei Yagyu|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 36인용 수 70

한 줄 요약

이 논문은 CDF II에서 측정한 W 보손 질량의 이상(80.4335 ± 0.0094 GeV, 표준모형 예측보다 7σ 높음)이 힉스 삼중항 모형(HTM)에서 비동일한 삼중항 힉스 보손을 가진 경우에 설명될 수 있는지 조사한다. 비제로 질량 분리(√Δm² ≈ 160–200 GeV)와 함께 삼중항 진공 기대값 v∆ ≈ 2–6 GeV를 가진 경우, 루비 파ram터, 약한 혼합 각도, Z 붕괴 너비, LHC 직접 탐색 결과 등 다양한 제약 조건을 만족하면서도 이 이면을 설명할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A new report for the measurement of the W boson mass has been provided by the CDF II experiment. The measured value of the W boson mass is given to be $m_W^{ ext{CDF II}} = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV which shows $7\sigma$ deviation from the standard model prediction, while the other groups of high energy experiments, e.g., ATLAS and D0 II, show consistent results with the latter. Assuming that the measurement at CDF II is correct, we discuss the possibility to explain the anomaly in the Higgs triplet model. We find that the anomaly can be explained under the constraints from the electroweak rho parameter, the effective weak mixing angle, the partial width of the leptonic $Z$ decay and current direct searches at LHC when non-zero mass differences among the triplet-like Higgs bosons and the vacuum expectation value of the triplet Higgs field are taken to be ${\cal O}(100)$ GeV and ${\cal O}(1)$ GeV, respectively.

연구 동기 및 목표

• CDF II에서 측정한 표준모형 예측값에서 7σ의 편차를 보이는 W 보손 질량을 설명하기 위해.
• 힌스 삼중항 모형(HTM)이 이 이면을 수용하면서도 전자약력 정밀 관측량을 만족하는지 평가하기 위해.
• 비제로 질량 차이를 가진 삼중항 유사 힉스 보손과 작은 v∆를 가진 HTM 내에서 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 현재 LHC에서의 동일전하 이보손 및 H±± 붕괴에 대한 직접 탐색 결과와의 일치성을 확보하기 위해.
• 이 경우 힉스 보손의 광자로 붕괴율에 미치는 영향을 평가하고 LHC 데이터와 비교하기 위해.

제안 방법

• αem, GF, mZ, v∆를 입력 매개변수로 사용하는 1-루프 온쉘 반영도 체계(Scheme-II)를 사용한다.
• ∆r 체계를 이용해 mW, ρ, sW, Z→ff 붕괴 너비에 대한 1-루프 보정을 계산하며, ∆αem, ∆ρloop, ∆rrem를 포함한다.
• A–G0 혼합에 대한 온쉘 조건을 적용하여 반복항을 고정하고, 일관된 반영도를 확보한다.
• ρren 및 Z–γ 혼합 함수를 포함한 Zff 결합에서 유도된 효과적 약한 혼합 각도 sin²θeff,f를 유도한다.
• HTM에서의 힉스 붕괴율 Γ(h→γγ)를 평가하고, Rγγ = ΓHTM/ΓSM를 통해 표준모형과 비교한다.
• 루비 파ram터(ρ = 1.0002 ± 0.0009), Z 붕괴 너비, H±± → W±W±에 대한 LHC 직접 탐색 결과로부터 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비동일한 삼중항 힉스 상태를 가진 힉스 삼중항 모형에서 CDF II의 W 보손 질량 이면을 설명할 수 있는가?
• RQ2 전자약력 정밀 관측량을 만족하는 HTM 내에서의 타당한 매개변수 영역(v∆, mL, ∆m², λ4)은 무엇인가?
• RQ3 삼중항 유사 힉스 보손 간의 질량 분리는 W 보손 질량과 기타 전자약력 파ram터에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모형은 H±± → W±W± 및 H± → W±H±에 대한 현재 LHC의 직접 탐색 결과와 일치하는가?
• RQ5 이 시나리오에서 힉스 보손의 광자로 붕괴율(h → γγ)에 예측되는 편차는 얼마인가?

주요 결과

• v∆ ≈ 2–6 GeV이면서 H±±, H±, A/H 간 질량 분리 √Δm² ≈ 160–200 GeV일 경우, HTM에서 W 보손 질량 이면을 설명할 수 있다.
• mH±± ≈ 350 GeV이고 mH/A ≈ 300 GeV일 경우, v∆ = 2 GeV와 √Δm² ≈ 160 GeV로 이 이면을 재현할 수 있다.
• CDF 이면을 만족하는 영역은 H±± → W±W±에 대한 LHC 직접 탐색 결과와 일치하며, 특히 캐스케이드 붕괴로 인해 분율이 감소할 경우 더욱 그렇다.
• h → γγ 붕괴율은 표준모형에서 약 몇 퍼센트 정도로 편차를 보이며, 이는 현재 LHC 제약 조건(Rγγ ≈ 1.02–1.04) 내에 잘 들어맞는다.
• 루비 파ram터(ρ ≈ 1.0002 ± 0.0009), 효과적 약한 혼합 각도, 렙톤성 Z 붕괴 너비 제약 조건 하에서도 모형은 타당하다.
• 질량 계단 mH±± > mH± > mH(∆m² > 0일 경우) 또는 mH±± < mH± < mH(∆m² < 0일 경우)는 λ5의 부호에 따라 이면과 일치한다.