[논문 리뷰] Interpreting the $\boldsymbol{W}$-Mass and Muon $\boldsymbol{(g_μ-2)}$ Anomalies within a 2-Higgs Doublet Model

Rachid Benbrik, Mohammed Boukidi외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Computational Physics and Python Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 뮤온 $(g_\mu-2)$ 이４ anomaly와 CDF-II의 $W$-보손 질량 측정치를 동시에 설명하기 위해 렙톤-플레처 어김을 포함한 타입 III 이중 히iggs 듀블릿 모형(2HDM)을 제안한다. $H^\pm$, $A$, $H$ 사이의 비제로 질량 분리($m_H - m_{H^\pm}$, $m_H - m_A$)를 도입함으로써, 이론적 및 실험적 제약 조건 내에서 두 이상현상을 성공적으로 조율하였으며, 음수인 $S$-파라미터 값과 CDF-II의 2022년 결과와 일치하는 $m_W$를 선호한다.

ABSTRACT

In this study, we investigate the anomalous magnetic moment of the muon $(g_μ-2)$ as reported by Fermilab (FNAL), along with the recent measurement of the $W$-boson mass by the CDF-II collaboration. Both findings show significant deviations from the predictions of the Standard Model (SM), hinting at the possibility of new physics. Our focus is on the Type III two-Higgs-doublet model (2HDM), wherein both Higgs doublets couple with all fermions, leading to the induction of flavour-changing neutral currents (FCNCs) at the tree level. Within this framework, we investigate a lepton-flavour-violating (LFV) scenario, aiming to explain both observed anomalies, while satisfying the up-to-date theoretical and experimental constraints.

연구 동기 및 목표

• 페르미랩의 뮤온 $g-2$ 실험에서 측정된 5.0σ 이상의 뮤온 비례 자기모멘트 이상현상($g_\mu-2$)을 해결하기 위해.
• 표준모형(SM) 예측에서 7σ만큼 벗어난 CDF-II의 2022년 $W$-보손 질량 측정치($m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV)를 재조율하기 위해.
• 트리 레벨의 계층적 중력 상호작용을 유도하는 타입 III 2HDM에서 렙톤-플레처 어김($\mu\!\to\!\tau$) 현상을 탐색하기 위해.
• 전자약정밀측정관측량(EWPOs), $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$, $\Delta a_\mu$가 2σ 이내로 현재의 이론적 및 실험적 제약 조건을 만족하기 위해.
• 기존 제약 조건을 위반하지 않으면서 단일 2HDM 프레임워크가 두 이상현상을 동시에 설명할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 복소수 SU(2)$_L$ 히iggs 듀블릿($\Phi_1$, $\Phi_2$)를 포함한 타입 III 2HDM를 채택하여, 모든 페르미온과 상호작용함으로써 트리 레벨 FCNC를 유도하기 위해.
• 레프톤-플레처 어김 양자역학 상호작용을 $\chi_{ij}^{\ell}$ 결합을 통해 도입하여 $\mu\!\to\!\tau$ 전이를 매개하기 위해.
• 모델의 매개변수 스캔을 단순화하기 위해 $m_H - m_{H^\pm}$ 및 $m_H - m_A$에 대해 스캔하며, $m_H = 125.09$ GeV, $c_{\beta-\alpha}$, $\tan\beta$, $\chi_{ij}^{\ell}$를 고정하기 위해.
• 모델을 제약하기 위해 $S$ 및 $T$ 파라미터를 사용하며, $S$ 파라미터 값은 질량 일치를 불리하게 한다.
• CDF-II 및 PDG 2021 데이터를 바탕으로 $m_W$ 및 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$에 대한 예측을 비교하며, 페르미랩의 $\Delta a_\mu$ 측정치와도 비교하기 위해.
• $\Delta a_\mu$(2σ 이내), $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 측정치(세계 평균 및 SLD), 히iggs 질량 및 결합 상수에 대한 이론적 한계를 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프톤-플레처 어김을 포함한 타입 III 2HDM가 동시에 $g_\mu-2$ 이상현상과 CDF-II의 $W$-보손 질량 측정치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 두 이상현상과 제약 조건을 모두 만족시키기 위해, $H^\pm$, $A$, $H$ 사이의 히iggs 질량 분리($m_H - m_{H^\pm}$, $m_H - m_A$)는 어떤가?
• RQ3 $S$ 및 $T$ 파라미터는 모델을 어떻게 제약하며, CDF-II 및 페르미랩 데이터에 의해 선호되는 값은 무엇인가?
• RQ4 CDF-II에서 관측된 $m_W$ 값은 $\Delta a_\mu$ 측정치와 결합되었을 때 2HDM 프레임워크와 호환되는가?
• RQ5 이 상황에서 효과적인 약한 혼합각 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$는 표준모형과 2HDM 예측을 구별하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모델은 CDF-II의 $W$-보손 질량 측정치($m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV)를 2σ 이내로 성공적으로 설명하였으며, $m_W$ 예측은 CDF-II 데이터 및 SLD 측정치와 가장 잘 일치한다.
• 모델에서 유도된 $\Delta a_\mu$ 값은 페르미랩 측정치($\Delta a_\mu = (25 \pm 4.8) \times 10^{-10}$)의 2σ 범위 내에 있으며, 관측된 이상현상과의 일치를 시사한다.
• 질량 일치($H$, $A$, $H^\pm}$ 간)는 불리하게 작용하며, 두 이상현상을 모두 만족시키기 위해 비제로이자 음수인 $m_H - m_{H^\pm}$ 질량 분리를 필요로 한다.
• $S$ 파라미터는 음수이자 비제로로 나타나며, CDF-II의 $m_W$ 측정치를 지지하고 표준모형과의 차이를 드러낸다.
• 모델의 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 예측 값은 CDF-II 기준 [0.23107, 0.23130] 범위와 PDG 기준 [0.2314, 0.2316] 범위에 있어 실험 데이터와 일치한다.
• 모든 제약 조건—$\Delta a_\mu$, $m_W$, $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$, 이론적 한계—를 동시에 만족하는 매개변수 포인트는 $m_H - m_{H^\pm}$가 비제로일 때만 존재하며, 이는 히iggs 질량 분리가 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.