[논문 리뷰] The 2HD+a model for a combined explanation of the possible excesses in the CDF $\mathbf{M_W}$ measurement and $\mathbf{(g-2)_μ}$ with Dark Matter

Giorgio Arcadi, A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CDF 실험에서 관측된 $W$ 보손 질량($M_W$)의 비정상적 측정치와 뮤온의 $g-2$ 비정상 현상 둘 다를 동시에 설명할 수 있는 2HD+a 모델을 제안한다. 이 모델은 경량 편극자형 힉스 보손과 안정된 싱게트 페르미온을 추가한 두 힉스 듀블릿 모델로, 어두운 물질 후보로도 유의미하다. 모델은 무거운 힉스 상태들 간의 질량 비균형을 도입함으로써 $\rho$ 파라미터를 수정하고, 다른 정밀도 제약 조건이나 어두운 물질 물리학과 충돌하지 않으면서 CDF의 $M_W$ 측정치를 재현한다.

ABSTRACT

The new measurement of the $W$ boson mass performed by the CDF experiment at the Tevatron shows a significant deviation not only with the expectation in the Standard Model but also with other precision measurements performed at LEP, the Tevatron and the LHC. We nevertheless take this new measurement at face value and interpret it as an effect of new physics. We particularly try to link it with other possible anomalies such as the recent muon $g-2$ and consider a scenario that addresses some shortcomings of the Standard Model. We show that a model with two doublets and a light pseudoscalar Higgs fields, supplemented by a stable isosinglet fermion, can simultaneously explain the possible $M_W$ and $(g-2)_μ$ anomalies and accounts for the weakly interacting massive particle that could be responsible of the dark matter in the universe.

연구 동기 및 목표

• CDF 실험에서 관측된 $M_W$ 측정치가 표준모형(SM) 예측과 약 ~7σ 만큼 다름을 새로운 물리학을 통해 이론적 기대와 조율한다.
• 뮤온 비정상 자기모멘트 $(g-2)_\mu$의 $4.2\sigma$ 이격을 통합된 프레임워크 내에서 설명한다.
• 우주론적 밀도 및 직접/간접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 약한 상호작용을 하는 거대 입자(WIMP) 어두운 물질 후보를 제공한다.
• 무거운 힉스 상태들이 질량적으로 일치하지 않는다는 가정을 풀어 2HDM+경량편극자형 모델을 확장함으로써 $\rho$ 파라미터 수정이 가능해지며, 이는 $M_W$에 영향을 준다.
• 기존의 $B$-메손 붕괴, LHC 힉스 탐색, 전자약력 정밀도 데이터로부터의 제약 조건과 호환됨을 보장한다.

제안 방법

• 표준모형의 힉스 부문을 두 개의 힉스 듀블릿과 경량 편극자형 $a$ 보손으로 확장하며, 뮤온에 대한 강화된 결합을 가진다.
• 안정된 SU(2) 싱게트 페르미온 $\chi$ 를 어두운 물질 후보로 도입하며, 직접 및 간접 탐지 제약 조건에 의해 질량과 결합 상수가 제약받는다.
• $\rho$ 파라미터 수정은 비균형적인 무거운 힉스 상태($H$, $A$, $H^\pm$)에 의한 $\Delta\rho$ 이동을 통해 계산되며, 이는 $M_W$를 수정한다.
• $T$ 파라미터는 $\rho$-파라미터 이동을 정량화하며, CDF $M_W$ 값과 일치하기 위해 $T \in [0.16, 0.21]$ 가 필요하다.
• 모델의 타당성은 $S,T,U$ 형식론을 사용하여 테스트하며, $b\to s\mu^+\mu^-$, $b\to s\gamma$, LHC 힉스 탐색 제약 조건을 포함한다.
• 모든 제약 조건을 충족하는 벤치마크 포인트를 생성하였으며, 이는 $\Delta a_\mu$가 $1\sigma$ 수준에서, $M_W$는 CDF 값과 일치함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HD+a 모델은 존재하는 제약 조건을 위반하지 않으면서 CDF의 $M_W$ 초과와 뮤온 $(g-2)_\mu$ 비정상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 무거운 힉스 상태($H$, $A$, $H^\pm$) 간의 질량 비균형은 $\rho$ 파라미터와 $M_W$에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 경량 편극자형 보손 $a$ 는 뮤온 결합을 강화하면서도 충돌기 및 천체물리학적 제약 조건과 일치하는가?
• RQ4 이 모델은 관측된 잔여 밀도와 탐지 제약 조건과 호환되는 안정적이고 약한 상호작용을 하는 어두운 물질 후보를 제공할 수 있는가?
• RQ5 $T$ 파라미터 보정이 $[0.16, 0.21]$ 범위에 있어 CDF $M_W$ 측정치를 재현할 수 있는 매개변수 영역은 어디인가?

주요 결과

• 무거운 힉스 부문의 질량 비균형에 의해 유도된 $\Delta\rho$ 보정을 통해 모델은 CDF의 $M_W$ 값인 $80.4335 \pm 0.0094~{\rm GeV}$ 를 재현한다.
• $T$ 파라미터가 $[0.16, 0.21]$ 범위여야 CDF $M_W$ 측정치와 일치하며, 이는 $S,T,U$ 형식론과 일치한다.
• 모델은 $(g-2)_\mu$ 비정상 현상을 $1\sigma$ 수준에서 설명하며, $\Delta a_\mu \approx 10^{-11}$ 이며, $b\to s\mu^+\mu^-$ 및 $b\to s\gamma$ 붕괴 제약 조건을 모두 충족한다.
• 어두운 물질 후보 $\chi$ 는 안정적이며 직접 및 간접 탐지 제약 조건을 충족하며, 질량은 $100-1000~{\rm GeV}$ 범위이며 $a$ 보손으로부터 약 100 GeV의 질량 분리가 있다.
• 모델은 양자역학적 안정성과 유니타리 조건을 유지하며, $a$-$A$ 혼합에 의한 유니타리 제약 조건으로 인해 $M_A \lesssim 1.4~{\rm TeV}$ 이다.
• $T$-$\Delta a_\mu$ 평면에서 겹치는 영역이 존재하며, 이는 두 비정상 현상이 모두 모델 내에서 동시에 설명될 수 있음을 보여준다.