[논문 리뷰] Status of the two-Higgs-doublet model in light of the CDF $m_W$ measurement

Soojin Lee, Kingman Cheung외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 CDF 협력의 정밀한 $m_W$ 측정치가 표준모형 예측에서 $7\sigma$의 편차를 보이며, 이로 인해 두 힉스 이중체 모형(2HDM)에 미치는 영향을 조사한다. 새로운 $m_W$ 값에서 유도된 옹태적 매개변수 $S$와 $T$를 사용하여 2HDM의 매개변수 공간에 엄격한 제약 조건을 가한다. 정상적 시나리오에서는 $M_{H,A,H^\pm} \lesssim 1.1\,\text{TeV}$의 상한을 구하고, 역전된 시나리오에서는 $M_{H^\pm} \lesssim 450\,\text{GeV}$, $M_A \lesssim 420\,\text{GeV}$를 얻으며, 역전된 시나리오에서의 유형 II 및 Y 모형은 완전히 배제된다.

ABSTRACT

The most recent $W$-boson mass measurement by the CDF collaboration with a substantially reduced uncertainty indicates a significant deviation from the standard model prediction, as large as $7σ$ if taken literally. Then the Peskin-Takeuchi parameters of $S$ and $T$ shift to larger values, which has profound consequences in searching for physics beyond the SM. In the framework of two-Higgs-doublet models, we study the effect of the new $W$-boson mass measurement on the parameter space. Combined with other constraints including theoretical requirements, flavor-changing neutral currents in $B$ physics, the cutoff scale above 1 TeV, Higgs precision data, and direct collider search limits from the LEP, Tevatron, and LHC experiments, we find upper bounds on the masses of the heavy Higgs bosons: $M_{H, A, H^\pm} \lesssim 1.1$ TeV in type I, II, X, and Y for the normal Higgs scenario; $M_{H^\pm} \lesssim 450 $ GeV and $M_{A} \lesssim 420 $ GeV in type I and X for the inverted scenario where the heavier $CP$-even Higgs boson is the observed one. Another important finding is that type II and type Y in the inverted scenario are completely excluded. Such unprecedented findings imply that the upcoming LHC run can readily close out a large portion of the still-available parameter space.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측에서 $7\\sigma$의 편차를 보이는 CDF의 $m_W$ 측정치를 바탕으로 두 힉스 이중체 모형(2HDM)의 타당성을 평가하기 위해.
• 새로운 $m_W$ 값에서 유도된 업데이트된 옹태적 매개변수 $S$와 $T$가 2HDM의 허용 가능한 매개변수 공간에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 유닛리티, 진동 안정성, 쿠퍼스케일 이하의 절단 스케일을 포함한 이론적 제약 조건, 플레이버 변화 중성자류, 힉스 정밀도 데이터, 실험적 검색 한계를 종합적으로 적용하여.
• 모든 네 가지 2HDM 유형(I, II, X, Y)에 대해 정상적 및 역전된 힉스 시나리오를 비교하여, 새로운 데이터 하에서 살아남는 모델을 규명하기 위해.

제안 방법

• 연구는 페스킨-타케우치 옹태적 매개변수 $S$와 $T$를 전반적인 피팅 프레임워크로 사용하며, 8차 수준 연산자의 기여가 무시 가능하므로 $U=0$로 설정한다.
• CDF의 $m_W$ 측정치에서 유도된 업데이트된 $S = 0.15 \pm 0.08$ 및 $T = 0.27 \pm 0.06$ 값을 사용하여 2HDM 매개변수 공간을 제약한다.
• 이론적 제약 조건인 유닛리티, 정상성, 진동 안정성을 포함한 16개의 2HDM 유형과 힉스 시나리오 조합(정상/역전)에 대한 체계적 스캔을 수행한다.
• B 물리에서의 플레이버 제약 조건, LEP, 테바트론, LHC에서의 직접적 실험 한계, 그리고 $\Lambda_c > 1\,\text{TeV}$의 절단 스케일을 적용하여 타당한 매개변수 포인트를 걸러낸다.
• CDF의 $m_W$ 제약 조건 적용 전후의 매개변수 포인트 생존율을 비교하여, 블랙스페이스 물리에 대한 더 강력한 제약 조건을 밝혀낸다.
• 최종 결과는 정상적 시나리오에서의 유형 I 및 X에 대해 $t_\beta$ 대 $|s_{\beta-\alpha}|$ 평면에 시각화하여 상관관계와 허용 가능한 범위를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF의 $m_W$ 측정치에서 유도된 업데이트된 옹태적 매개변수 $S$와 $T$는 두 힉스 이중체 모형의 매개변수 공간에 어떻게 제약을 가하는가?
• RQ2 2HDM의 정상적 및 역전된 힉스 시나리오에서 무거운 힉스 보손 $H$, $A$, $H^\pm$의 질량에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ3 새로운 $m_W$ 측정치 하에서 어떤 2HDM 유형(I, II, X, Y)이 타당하며, 어떤 것은 배제되는가?
• RQ4 새로운 데이터 하에서 정상적 및 역전된 시나리오에서 $\tan\beta$ 값은 어떻게 제약을 받는가?
• RQ5 절단 스케일 $\Lambda_c$를 1 TeV 이상으로 높일 경우 2HDM 매개변수 공간의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 정상적 힉스 시나리오에서 모든 유형(I, II, X, Y)에 대해 중량 힉스 보손의 질량 상한은 $M_{H,A,H^\pm} \lesssim 1.1\,\text{TeV}$이다.
• 역전된 힉스 시나리오에서 유형 I 및 X에 대해 각각 $M_{H^\pm} \lesssim 450\,\text{GeV}$ 및 $M_A \lesssim 420\,\text{GeV}$의 상한이 존재한다.
• 역전된 힉스 시나리오에서 유형 II 및 유형 Y는 통합 제약 조건, 즉 새로운 $m_W$ 측정치를 포함하여 완전히 배제된다.
• 정상적 시나리오에서 $\tan\beta$는 상한을 가진다: 유형 I에선 $\tan\beta \lesssim 45$, 유형 II에선 $8$, 유형 X에선 $43$, 유형 Y에선 $17$이다.
• 역전된 시나리오에서 유형 I 및 X에 대해 $\tan\beta$는 제약이 없으며, 허용 가능한 매개변수 공간 내에서 여전히 제약이 없다.
• 절단 스케일 $\Lambda_c$를 1 TeV 이상으로 높이면 2HDM 매개변수 공간의 타당성이 더욱 제한된다.