[论文解读] Electroweak Phase Transition in 2HDM under Higgs, Z-pole, and W precision measurements

H. Y. Song, Wei Su+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 7

一句话总结

本文研究了在 Type-I 和 Type-II 双 Higgs 双重态模型（2HDMs）中，强一阶电弱相变（SFOEWPT）与 CDF-II 测量的 $m_W$ 升高之间的相容性。结果表明，在当前约束条件下，两种 2HDM 类型均可同时满足 SFOEWPT、$m_W$ 偏移以及精确的 Higgs 和 Z 爪测量，其中允许区域由重希格斯粒子质量差 $\Delta m_{A/C} \in (-400,400)$ GeV 和 $\tan\beta \in (1,50)$（Type-I）以及 $\Delta m_{A/C} \in (-200,300)$ GeV 和 $\tan\beta \in (1,12)$（Type-II）定义。若未来轻子对撞机未观测到与标准模型预测的偏离，该情形可能被排除。

ABSTRACT

In this work we revisit the existence of a strong first order electroweak phase transition (SFOEWPT) and recent $m_W$ precision measurement in the Type-I and Type-II 2HDMs. The O(100) GeV new scalars in 2HDMs are favored by SFOEWPT, which is necessary for electroweak baryogenesis, and observed $m_W$ shift as well. % We find that under current constraints, both Type-I and Type-II 2HDM can explain the SFOEWPT, Z-pole, Higgs precision measurements and $m_W$ precision measurement of CDF-II at same time, and all these precision measurements are sensitive to heavy Higgs mass splitting in 2HDM. The allowed regions are $Δm_{A/C} \in (-400, 400) GeV, anb\in(1,50)$, and $Δm_{A/C} \in (-200, 300) GeV, anb\in(1,12)$ for Type-I and Type-II 2HDM respectively. Furthermore future lepton collider measurements on Higgs and $Z$ boson properties can explore this scenario in more detail or even rule out it.

研究动机与目标

• 评估 Type-I 和 Type-II 2HDM 是否可同时容纳强一阶电弱相变（SFOEWPT）与 CDF-II 对 $m_W$ 升高的测量。
• 检查这些模型在 LHC 及其他实验提供的当前 Higgs 和 Z 爪精确测量下的自洽性。
• 在现有 $\tan\beta$、$m_H$ 和重希格斯粒子质量差 $\Delta m_{A/C}$ 约束下，识别 SFOEWPT 和 $m_W$ 偏移的可行参数空间。
• 评估未来轻子对撞机（如 CEPC、FCC-ee、ILC）对区分标准模型与 SFOEWPT + 升高 $m_W$ 情形在 2HDM 中的敏感性。

提出的方法

• 在 2HDM 参数空间内进行全局参数扫描，包括 $m_H$、$\tan\beta$ 和重希格斯粒子质量差 $\Delta m_{A/C}$，以识别满足所有约束的可行点。
• 模型中引入对阻滞参数 $S$、$T$ 和 $U$ 的一阶量子修正，这些参数介导 $m_W$ 偏移，并将其与重希格斯粒子质量差联系起来。
• 通过有限温度有效势计算评估 SFOEWPT，要求对称相与破缺相之间具有足够高的能量势垒。
• 应用直接来自 LHC 对额外希格斯粒子的搜寻结果，以排除大耦合或低质量区域。
• 模拟未来在轻子对撞机（CEPC、FCC-ee、ILC）上的精确测量，其对阻滞参数的不确定性投影为 1% 水平，并改进对 Higgs 耦合的测量。
• 将当前允许区域（绿色点）与未来精确约束下仍存活的区域（红色点）进行比较，识别出若未观测到与标准模型预测的偏离，将被排除的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 Type-I 和 Type-II 2HDM 是否可同时解释强一阶电弱相变与 CDF-II 测量的 $m_W$ 升高？
• RQ2 当前 Higgs 和 Z 爪精确测量在 SFOEWPT 与 $m_W$ 偏移背景下，如何约束 2HDM 的参数空间？
• RQ3 重希格斯粒子质量差 ($\Delta m_{A/C}$) 在介导 $m_W$ 偏移并实现 SFOEWPT 中起到何种作用？
• RQ4 未来在 CEPC、FCC-ee 或 ILC 上的轻子对撞机测量在多大程度上可排除或确认 2HDM 中的 SFOEWPT + 升高 $m_W$ 情形？
• RQ5 在未来的高精度实验中，Higgs 和 Z 玻色子耦合是否存在可区分该情形的独特信号？

主要发现

• 在当前实验不确定度下，Type-I 和 Type-II 2HDM 均可同时满足 SFOEWPT、CDF-II 的 $m_W$ 测量以及当前 Higgs 和 Z 爪精确约束。
• 允许的参数空间被限制为 Type-I 2HDM 的 $\Delta m_{A/C} \in (-400,400)$ GeV 和 $\tan\beta \in (1,50)$，以及 Type-II 2HDM 的 $\Delta m_{A/C} \in (-200,300)$ GeV 和 $\tan\beta \in (1,12)$。
• 2HDM 中的 $m_W$ 偏移对重希格斯粒子质量差 $\Delta m_{A/C}$ 敏感，后者也影响阻滞参数和 Higgs 耦合。
• 若未来在 CEPC、ILC 或 FCC-ee 上的轻子对撞机测量对阻滞参数的精度达到 1%，且未观测到与标准模型预测的偏离，则可排除 SFOEWPT + 升高 $m_W$ 的情形。
• 若 SFOEWPT + 升高 $m_W$ 情形正确，未来实验将以高置信水平观测到与标准模型预测的明显偏离。
• 参数空间中的红色点（通过未来约束的区域）与绿色点（当前允许区域）分离，表明未来精确数据可能排除当前可行区域，除非确认存在新物理。