[논문 리뷰] New physics effects on the $W$-boson mass from a doublet extension of the SM Higgs sector

Henning Bahl, Johannes Braathen외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 85인용 수 66

한 줄 요약

이 논문은 두 히iggs 듀블렛 모형(2HDM)이 표준모형 예측에서 7σ만큼 벗어난 CDF 협동조직의 W 보손 질량 신측정을 설명할 수 있는지 조사한다. 두 루프 양자전자역학 보정과 종합적 제약 조건을 사용하여, 특히 타입 I에서 2HDM의 매개변수 영역을 규명하였으며, 이들 영역에서는 예측된 W 보손 질량이 CDF 값과 일치하면서도 약한 혼합 각도와 Z 보손 너비의 정밀 측정 데이터와도 호환된다.

ABSTRACT

Recently, the CDF collaboration has reported a new precision measurement of the $W$-boson mass, $M_W$, showing a large deviation from the value predicted by the Standard Model (SM). In this paper, we analyse possible new physics contributions to $M_W$ from extended Higgs sectors. We focus on the Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) as a concrete example. Employing predictions for the electroweak precision observables in the 2HDM at the two-loop level and taking into account further theoretical and experimental constraints, we identify parameter regions of the 2HDM in which the prediction for $M_W$ is close to the new CDF value. We assess the compatibility of these regions with precision measurements of the effective weak mixing angle and the total width of the $Z$ boson.

연구 동기 및 목표

• 두 히iggs 듀블렛 모형(2HDM)이 표준모형 예측에서 7σ만큼 높은 CDF 측정값인 W 보손 질량을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 2HDM이 예측하는 W 보손 질량이 효과적인 약한 혼합 각도와 Z 보손 총 너비에 대한 실험 제약 조건과 호환되는지 평가하기 위해.
• 특히 타입 I에서, W 보손 질량 예측이 새로운 CDF 결과와 일치하면서도 진공 안정성, 유니타리성, 직접 탐색 한계를 모두 충족시키는 2HDM 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 2HDM에서 전자약력 정밀 관측량에 대한 최신 기술의 두 루프 계산을 활용하여, 주로 비표준모형 보정을 포함하기 위해.

제안 방법

• 연구는 2HDM에서 Z2 대칭이 부드럽게 깨진 경우에 대해 두 루프 보정을 계산하기 위해 THDM EWPOS 코드를 사용한다. 이는 전자약력 정밀 관측량, 특히 W 보손 질량에 대한 보정을 포함한다.
• 모형은 정렬 한계(α = β − π/2)에서 분석되며, 이 경우 최경량 CP-짝성 히iggs 보손은 125 GeV의 표준모형 유사 히iggs 보손으로 간주된다.
• ρ 매개변수의 두 루프 보정은 참조문헌 [14, 15]에서 제공하는 해석적 표현을 사용하여 계산되며, 전체 일차 루프 및 주요 이차 루프 기여를 포함한다.
• 분석에는 진공 안정성, 아래에서의 유계성, NLO 섭동 유니타리성, HiggsSignals(Higgs 결합 피팅), HiggsBounds(직접 탐색), 그리고 b-입자 물리 관측량의 제약 조건이 포함된다.
• W 보손 질량 예측은 ∆MW ≈ (1/2)MW (cW² / (cW² − sW²)) ∆ρ 식을 통해 ρ 매개변수 보정에서 유도된다.
• 모든 히iggs 질량은 온셸프 체계에서 재정규화되며, 두 루프 계산에서 유일한 질량을 가진 페르미온은 톰 쿼크이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 히iggs 듀블렛 모형(2HDM)은 CDF 측정값인 80.4335 ± 0.0094 GeV에 도달할 정도로 충분히 큰 상향 이동을 W 보손 질량에 유도할 수 있는가?
• RQ2 높은 W 보손 질량을 예측하는 2HDM 매개변수 영역이 효과적인 약한 혼합 각도와 Z 보손 총 너비의 정밀 측정과 호환되는가?
• RQ3 특히 타입 I에서, 이론적 및 실험적 제약 조건을 충족하면서도 CDF W 보손 질량 결과를 재현하는 2HDM의 타당한 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ4 2HDM에서 ρ 매개변수의 두 루프 보정은 W 보손 질량 예측에 어떻게 영향을 미치며, 이는 표준모형과의 7σ 불일치를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 타입 I에서 2HDM은 탑 쿼크 질량 근처의 이중자 히iggs 질량을 가질 경우, CDF 측정값인 80.4335 GeV과 일치하는 W 보손 질량 예측을 생성할 수 있다.
• W 보손 질량 예측이 약 80.4335 GeV이면서도 효과적인 약한 혼합 각도와 Z 보손 총 너비 측정치와 호환되는 2HDM 매개변수 영역이 존재한다.
• 이중자 히iggs 질량이 탑 쿼크 질량에 가까울 경우, 커퍼스키메트리 위반 보정의 부분적 상쇄로 인해 정밀 데이터와의 호환성이 향상된다.
• 특히 tan β가 중간 수준일 경우, 진공 안정성, 섭동 유니타리성, HiggsSignals(Higgs 결합 피팅), HiggsBounds(직접 탐색), 그리고 b-물리 관측량 제약 조건을 모두 충족시키며 모형이 유의미하게 유지된다.
• CDF 값에 정밀하게 일치시키기 위해서는 ρ 매개변수의 두 루프 보정이 필수적이며, 일차 루프 효과만으로는 7σ 불일치를 해결하기에 부족하다.
• 분석 결과, mH± ≈ mt 및 tan β ≈ 1–5일 경우, 기존 실험 한계를 위반하지 않으면서도 2HDM이 W 보손 질량 이상 현상을 설명할 수 있음을 보여준다.