[논문 리뷰] Implications of the new CDF-II $W$-boson mass on two-Higgs-doublet models

Yang Hwan Ahn, Sin Kyu Kang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 예측에서 7σ 만큼 벗어나는 새로운 CDF-II 측정값인 W 보손 질량이 이중 힉스 이중체 모형(2HDMs)의 매개변수 공간에 미치는 제약를 조사한다. W 보손 질량과 $\overline{\rm MS}$-재규격화된 약한 혼합 각도를 조합하여 S 및 T 매개변수를 사용함으로써, 2HDMs가 CDF 결과를 수용할 수 있는 조건은 125.1 GeV 힉스 보손이 더 가벼운 CP-짝성 스칼라여야 하며, 이는 타는 Higgs 보손의 질량과 혼합 각도에 상당한 제약를 초래한다.

ABSTRACT

We present the implications of the recent measurement of $W$ boson at CDF II on the two-Higgs-doublet model (2HDM). In the analysis, we impose theoretical bounds such as vacuum stability and perturbative unitarity, and several experimental constraints. In addition, we take into account the measurement of $\sin^2θ_W(m_Z)_{ m \bar{MS}}$ on top of the CDF $W$-boson mass to investigate how the $S$ and $T$ parameters are determined. We explore two possible scenarios depending on whether the Higgs boson observed at the LHC is the lighter or heavier of $CP$-even neutral Higgs bosons for 2HDM type I and II. Using the results, we show how the parameter space is constrained, and compare it with the one based on the PDG average of $m_W$. Furthermore, we explore phenomenological consequences of electroweak precision observables that can be affected by $m_W$ within the predictions of the 2HDM, and the reduction in parameter space expected from future measurements at the Future Circular Lepton Collider.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측에서 7σ 만큼 벗어나는 CDF-II의 W 보손 질량 측정값을 설명할 수 있는 이중 힉스 이중체 모형(2HDMs)의 타당성을 평가하기 위해.
• CDF-II의 $m_W$ 측정값과 PDG 평균 $\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$를 조합하여 2HDMs에서 S 및 T 매개변수가 어떻게 제약를 받는지 검토하기 위해.
• CDF-II의 $m_W$ 값과 PDG 평균을 비교하여 2HDMs의 允許된 매개변수 공간을 분석하고, 힉스 보손 질량과 혼합 각도에 미치는 영향을 집중적으로 고려하기 위해.
• m_W의 편차가 전자약력 정밀 관측량, 특히 Z 보손 붕괴 폭에 미치는 현상학적 결과를 평가하기 위해.
• 미래의 향후 원형 렙톤 충돌기(FCC-ee) 측정값이 2HDM 프레임워크 내에서 CDF-II와 표준모형 예측을 어떻게 구별할 수 있는지 예측하기 위해.

제안 방법

• 분석은 2HDMs의 스칼라 섹터에서 기인하는 새로운 물리의 기여를 S 및 T 매개변수로 매개변수화하며, 이는 $m_W$ 및 $\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$의 편차와 연결된다.
• 물리적 일관성을 확보하기 위해 진공 안정성, 점성도, 단위성 등의 이론적 제약를 2HDM 매개변수 공간에 적용한다.
• LEP, 테바트론, LHC의 실험적 제약를 적용하여 유형 I 및 유형 II 2HDMs의 모든 힉스 상태의 질량과 결합 상수를 제한한다.
• 두 가지 시나리오를 고려한다: (1) 125.1 GeV 힉스 보손이 더 가벼운 CP-짝성 상태($M_h < 125.1$ GeV)이고, (2) 더 무거운 CP-짝성 상태($M_H > 125.1$ GeV)인 경우이며, 각각 다른 매개변수 공간 제약를 갖는다.
• CDF-II의 $m_W$와 PDG 평균 $\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$를 동시에 재현할 수 있는 S 및 T 매개변수의 허용 영역을 계산한다.
• 미래의 FCC-ee 전망은 전자약력 정밀 관측량, 특히 Z-보손 붕괴 폭의 예상 불확실도 감소(500배)를 추정하여 CDF-II와 표준모형 예측을 구별할 수 있는지를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM은 CDF-II의 $m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV 측정값을 유지하면서도 측정된 $\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$와 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 CDF-II의 $m_W$를 사용할 때와 PDG 평균 $m_W$를 사용할 때 S 및 T 매개변수의 허용 영역은 어떻게 다를까?
• RQ3 125.1 GeV 힉스 보손이 더 가벼운 또는 더 무거운 CP-짝성 스칼라로 식별될 경우, 2HDMs에서 힉스 상태의 질량과 혼합 각도에 어떤 제약가 존재하는가?
• RQ4 두 시나리오 간에 필요한 옴부리 매개변수 $T$의 값은 어떻게 다를지, 이는 타는 Higgs 보손과 중성 Higgs 보손 간 질량 분리에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 미래의 FCC-ee 측정값이 2HDM 프레임워크 내에서 CDF-II의 $m_W$ 편차와 표준모형 예측을 어느 정도로 명확히 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 125.1 GeV 힉스 보손이 더 가벼운 CP-짝성 스칼라인 시나리오 1이 더 유리하다. 이는 CDF-II의 $m_W$와 측정된 $\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$를 동시에 수용할 수 있는 더 넓고 일관성 있는 매개변수 공간을 허용하기 때문이다.
• 시나리오 2에서는 125.1 GeV 힉스 보손이 더 무거운 CP-짝성 상태인 경우, 필요한 S 매개변수 값이 $-0.02$ 이하로 떨어져, $\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$ 값이 PDG 평균의 3σ 범위 내에 있을 뿐이지 근사적으로만 유지된다.
• 시나리오 2에서 선호되는 질량 분리 $M_{H^\pm} - M_h$는 주로 양수이며, 최대 600 GeV까지 도달할 수 있으며, 양수 질량 차이에 대해 T 매개변수 값은 단일 연결 영역에만 국한된다.
• 2HDM-II에서는 CDF의 $m_W$를 설명하기 위해 필요한 가벼운 타는 Higgs 보손 질량이, 특히 $\bar{B} \to X_s \gamma$를 통한 플레이버 물리 제약와 충돌한다. 이 제약는 $M_{H^\pm} > 600$ GeV를 요구한다.
• T 매개변수는 $m_W$의 변화에 가장 큰 기여를 하며, CDF-II와 PDG의 $m_W$ 값 간에 T 매개변수의 허용 영역이 겹치지 않는다.
• 미래의 FCC-ee 측정값은 예상 불확실도를 500배 감소시킬 것으로 예측되며, 이는 특히 Z-보손 붕괴 폭을 통해 CDF-II의 $m_W$ 편차와 표준모형 예측을 명확히 구별할 수 있을 것이다. 만약 2HDM 설명이 맞다면 이 폭은 상당한 편차를 보일 것이다.