[논문 리뷰] Is the new CDF $M_W$ measurement consistent with the two higgs doublet model?

H. Abouabid, A. Arhrib외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 역계층을 가진 두 힉스 이중체 모형(2HDM)이 표준모형 예측에서 7.0σ만큼 벗어난 최신 CDF의 W 보손 질량 측정치를 설명할 수 있는지 조사한다. 125 GeV 힉스로 식별된 무거운 CP-짝성 힉스와 161 GeV 이상의 질량을 가진 채워진 힉스가 존재할 경우, 양의 T-파rameter 기여를 통해 CDF 결과를 재현할 수 있으며, 이는 채워진 힉스와 CP-짝성 힉스의 질량이 일치하지 않을 경우에만 가능하다. 반면, 질량이 일치하는 경우는 실험 제약 조건에 의해 배제된다.

ABSTRACT

Motivated by the new CDF measurement of the $W$ boson mass reported recently which clearly illustrates a large deviation compared to the Standard Model (SM) prediction. In the present paper, we study the Two-Higgs Doublet Model (2HDM) contributions to $M_W$ and its phenomenological implications in the case where the heavy CP-even $H$ is identified as the observed Higgs boson with a mass of $125$ GeV. Taking into account theoretical and all the available experimental constraints as well as the new CDF measurement, we demonstrate that the 2HDM parameter space can provide a large correction which predicts the W mass close to the new CDF $M_W$ measurement. It is found that $M_{H\pm}=M_A$ is excluded and the splitting of the charged Higgs boson with all other states is positive. We also discuss the consequence on the effective mixing angle $\sin^2θ_{ ext{eff}}$ as well as the phenomenological implications on the charged Higgs and CP-odd decays.

연구 동기 및 목표

• 최신 CDF W 보손 질량 측정치와 표준모형 예측 사이의 7.0σ 이질현상이 두 힉스 이중체 모형(2HDM)으로 해결될 수 있는지 평가하기.
• 125 GeV 힉스 보손이 경량 CP-짝성 힉스( h )가 아니라 무거운 CP-짝성 힉스(H)로 식별되는 조건에서 2HDM 스펙트럼의 현상학적 의미를 검토하기.
• CDF W 보손 질량을 재현하면서 이론적 및 실험적 제약 조건을 만족하는 2HDM 유형 I 및 유형 X의 허용 가능한 매개변수 공간을 규명하기.
• 허용 가능한 매개변수 공간 내에서 채워진 힉스, CP-짝성 힉스, 경량 CP-짝성 힉스의 붕괴 패턴을 분석하기.

제안 방법

• 신체물리 기여를 게이지 보손 자기에너지에 기여하는 S, T, U 파arameter 형식을 사용하여 2HDM에서 W 보손 질량과 효과적 혼합 각도를 계산한다.
• 무거운 CP-짝성 힉스(H)가 125 GeV 상태이며, 경량 CP-짝성 힉스(h)가 125 GeV 이하인 역계층을 가정한다.
• 이론적 제약(단위성, 진공 안정성)과 실험적 제약(Higgs 신호 강도, LEP, LHC, 전자약력 정밀 관측)을 적용하여 2HDM 매개변수 공간의 전반적 스캔을 수행한다.
• W 보손 질량과 효과적 혼합 각도에 대한 전체 1-루프 보정을 고려하며, 특히 이질현상의 주요 기여자인 T 파arameter에 중점을 둔다.
• 허용 가능한 매개변수 공간 전역에서 H±, A, h의 붕괴 비율을 수치적으로 계산하며, W±h, Zh, ττ, bb, μμ 붕괴에 특별한 주의를 기울인다.
• 2HDM 유형 I과 유형 X의 결과를 비교하며, 쿼크 및 렙톤에 대한 쿠퍼링 차이와 붕괴 패턴의 차이점을 집중 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역계층을 가진 두 힉스 이중체 모형(2HDM)이 CDF W 보손 질량 측정치에서 관측된 7.0σ 이질현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 CDF W 보손 질량을 재현하기 위해 2HDM에서 채워진 힉스와 CP-짝성 힉스의 질량에 가해지는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 최신 CDF 제약 조건 하에서 2HDM 유형 I과 유형 X에서 채워진 힉스와 CP-짝성 힉스의 붕괴 분포수는 어떻게 다를까?
• RQ4 2HDM에서 W 보손 질량에 필요한 수정을 생성하는 데 T 파aram터의 역할은 무엇인가?
• RQ5 M_{H±} = M_A 인 질량이 일치하는 시나리오는 최신 CDF 측정치와 실험적 제약 조건을 만족하는가?

주요 결과

• 채워진 힉스 질량이 약 161 GeV를 초과할 경우, 역계층을 가진 2HDM은 CDF W 보손 질량 측정치를 재현할 수 있다.
• M_{H±} = M_A 인 경우는 최신 CDF 데이터에 의해 배제되며, 이는 T 파aram터가 극히 작아서 7.0σ 이질현상을 설명하기에 부족하기 때문이다.
• 양의 T 파aram터가 필요하며, 이는 M_{H±} > M_h, M_H, M_A 조건에서만 실현 가능하다. 이 조건이 M_W에 필요한 수정 기여를 보장한다.
• 2HDM 유형 X에서는 h → μ⁺μ⁻ 붕괴 분포수는 최대 3×10⁻³까지 도달할 수 있으며, 향후 실험에서 관측 가능할 만한 신호로 간주된다.
• CP-짝성 힉스 A의 경우, 운동역학적으로 허용되는 경우 A → Zh 붕괴가 지배적이며, Zh 임계값 이전에는 2HDM 유형 X에서 A → ττ 붕괴가 지배적이다.
• 채워진 힉스 H±의 주요 붕괴 모드는 W±h 붕괴이며, 이는 2HDM 유형 I과 유형 X 모두에서 W±h 임계값을 초월한 이후에 성립한다.