[論文レビュー] Implication of the $W$ boson mass anomaly at CDF II in the Higgs triplet model with a mass difference

Shinya Kanemura, Kei Yagyu|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用数 70

ひとこと要約

この論文は、CDF IIで測定されたWボソン質量の異常（80.4335 ± 0.0094 GeV、標準模型予測から7σ上回る）が、非 degenerate な三重項ヒッグス粒子を伴うヒッグス三重項模型（HTM）で説明可能かどうかを調査している。非ゼロの質量分裂（√Δm² ≈ 160–200 GeV）と三重項真空期待値 v∆ ≈ 2–6 GeVを組み合わせることで、rhoパラメータ、弱混合角、Z崩壊幅、LHCによる直接探索の制約を満たしながらも、この異常を説明可能であることが示された。

ABSTRACT

A new report for the measurement of the W boson mass has been provided by the CDF II experiment. The measured value of the W boson mass is given to be $m_W^{ ext{CDF II}} = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV which shows $7\sigma$ deviation from the standard model prediction, while the other groups of high energy experiments, e.g., ATLAS and D0 II, show consistent results with the latter. Assuming that the measurement at CDF II is correct, we discuss the possibility to explain the anomaly in the Higgs triplet model. We find that the anomaly can be explained under the constraints from the electroweak rho parameter, the effective weak mixing angle, the partial width of the leptonic $Z$ decay and current direct searches at LHC when non-zero mass differences among the triplet-like Higgs bosons and the vacuum expectation value of the triplet Higgs field are taken to be ${\cal O}(100)$ GeV and ${\cal O}(1)$ GeV, respectively.

研究の動機と目的

• CDF IIが測定した標準模型予測からの7σのWボソン質量のずれを説明すること。
• ヒッグス三重項模型（HTM）が、この異常を電弱精度観測量を満たしながらも受容可能かどうかを評価すること。
• 三重項ヒッグス粒子間の非ゼロの質量差と小さなv∆を持つHTMにおける物理的で妥当なパラメータ領域を特定すること。
• 現在のLHCによる同じ電荷のダブルボソンおよびH±±崩壊の直接探索と整合性があるかを確認すること。
• ヒッグス粒子の光子への崩壊率（h → γγ）への影響を評価し、LHCデータと比較すること。

提案手法

• αem、GF、mZ、v∆を入力パラメータとする1ループオンシェル正規化スキーム（スキーム-II）を用いる。
• ∆r形式を用いて、mW、ρ、sW、Z→ff崩壊幅に対する1ループ補正を計算し、∆αem、∆ρloop、∆rremを含む。
• A–G0混合にオンシェル条件を課してカウンターターミスを固定し、一貫性のある正規化を確保する。
• ρrenおよびZ–γ混合関数を含むZff結合から、有効弱混合角 sin²θeff,f を導出する。
• HTMにおけるヒッグス崩壊幅 Γ(h→γγ) を評価し、Rγγ = ΓHTM/ΓSM を用いてSMと比較する。
• rhoパラメータ（ρ = 1.0002 ± 0.0009）、Z崩壊幅、およびH±± → W±W±へのLHC直接探索からの制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非デゲネレートな三重項ヒッグス状態を伴うヒッグス三重項模型で、CDF IIのWボソン質量異常を説明可能か？
• RQ2 電弱精度観測量を満たすHTM（v∆, mL, ∆m², λ4）における物理的で妥当なパラメータ領域は何か？
• RQ3 三重項ヒッグス粒子間の質量分裂は、Wボソン質量および他の電弱パラメータにどのように影響するか？
• RQ4 このモデルは、現在のLHCによるH±± → W±W±およびH± → W±H±の直接探索と整合性があるか？
• RQ5 この状況下で、ヒッグス粒子の光子への崩壊率（h → γγ）の予測されたずれは何か？

主な発見

• v∆ ≈ 2–6 GeV かつ H±±、H±、A/H 間の質量分裂 √Δm² ≈ 160–200 GeV である限り、HTMでWボソン質量の異常を説明可能である。
• mH±± ≈ 350 GeV および mH/A ≈ 300 GeV の場合、v∆ = 2 GeV かつ √Δm² ≈ 160 GeV で異常が再現される。
• CDF異常を満たす領域は、特にチェーン崩壊によって分岐比が低下する場合、LHCによるH±± → W±W±の直接探索と整合性がある。
• h → γγ の崩壊率はSMから数パーセントのずれを示し、現在のLHCの制約範囲（Rγγ ≈ 1.02–1.04）に十分収まる。
• rhoパラメータ（ρ ≈ 1.0002 ± 0.0009）、有効弱混合角、およびレプトン的Z崩壊幅の制約を満たすため、モデルは依然として妥当である。
• ∆m² > 0 の場合の質量順序 mH±± > mH± > mH または ∆m² < 0 の場合の mH±± < mH± < mH は、λ5の符号に応じて異常と整合的である。