[論文レビュー] Is the new CDF $M_W$ measurement consistent with the two higgs doublet model?

H. Abouabid, A. Arhrib+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、7.0σのずれを示す新しいCDFによるWボソン質量測定を、逆ヒerarchicalな2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）が説明できるかどうかを調査している。重いCP不変ヒッグス（125 GeVヒッグスとして特定される）と161 GeVより重いcharged Higgsを持つ2HDMは、正のTパラメータ寄与によりCDFの結果を再現可能であるが、charged HiggsとCP不変ヒッグスの質量が degenerate である場合は除外される。

ABSTRACT

Motivated by the new CDF measurement of the $W$ boson mass reported recently which clearly illustrates a large deviation compared to the Standard Model (SM) prediction. In the present paper, we study the Two-Higgs Doublet Model (2HDM) contributions to $M_W$ and its phenomenological implications in the case where the heavy CP-even $H$ is identified as the observed Higgs boson with a mass of $125$ GeV. Taking into account theoretical and all the available experimental constraints as well as the new CDF measurement, we demonstrate that the 2HDM parameter space can provide a large correction which predicts the W mass close to the new CDF $M_W$ measurement. It is found that $M_{H\pm}=M_A$ is excluded and the splitting of the charged Higgs boson with all other states is positive. We also discuss the consequence on the effective mixing angle $\sin^2θ_{ ext{eff}}$ as well as the phenomenological implications on the charged Higgs and CP-odd decays.

研究の動機と目的

• 新しいCDFによるWボソン質量測定と標準模型予測との間の7.0σの乖離を、2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）が解消できるかどうかを評価すること。
• 125 GeVヒッグス粒子が軽いヒッグス（h）ではなく、重いCP不変ヒッグス（H）として特定されるという制約下での2HDMスケーリングの現象論的意味を検討すること。
• CDFのWボソン質量を再現しつつ、理論的および実験的制約を満たす2HDMタイプIおよびタイプXの許容されるパラメータ空間を特定すること。
• 許容されるパラメータ空間におけるcharged Higgs、CP不変ヒッグス、および軽いCP不変ヒッグスの崩壊パターンを分析すること。

提案手法

• 新しい物理がゲージボソンの自己エネルギーに与える寄与をパrameterizeするS、T、Uパラメータ形式を用いて、2HDMにおけるWボソン質量および有効混合角を計算する。
• 重いCP不変ヒッグス（H）が125 GeV状態であり、軽いCP不変ヒッグス（h）が125 GeV未満であるという逆ヒerarchicalな構成を仮定する。
• 理論的制約（ユニタリティ、真空安定性）と実験的制限（ヒッグス信号強度、LEP、LHC、電弱精度観測量）を適用した2HDMパラメータ空間のグローバルスキャンを実施する。
• Wボソン質量および有効混合角に対する完全な1ループ補正を計算し、特に偏差の主因となるTパラメータに注目する。
• 許容されるパラメータ空間全域でH±、A、hの崩壊断面積を数値的に計算し、W±h、Zh、ττ、bb、μμへの崩壊に特に注目する。
• 2HDMタイプIとタイプXの結果を比較し、フェルミオンへの結合や崩壊パターンの差に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆ヒerarchicalな2HDMは、CDFによるWボソン質量測定の7.0σのずれを説明できるか？
• RQ2 CDFのWボソン質量を再現するための2HDMにおいて、charged HiggsおよびCP不変ヒッグスの質量に課される制約は何か？
• RQ3 新しいCDF制約下で、2HDMタイプIとタイプXにおけるcharged HiggsおよびCP不変ヒッグスの崩壊断面積はどのように異なるか？
• RQ4 2HDMにおいて、Wボソン質量に必要な補正を生成するTパラメータの役割は何か？
• RQ5 M_{H±} = M_A の質量縮退状態は、新しいCDF測定および実験的制約のもとで妥当か？

主な発見

• charged Higgs質量が約161 GeVを超える場合、逆ヒerarchicalな2HDMはCDFのWボソン質量測定を再現可能である。
• M_{H±} = M_A の場合、Tパラメータが極めて小さくなり、7.0σのずれを説明するには不十分であるため、新しいCDFデータによって除外される。
• 正のTパラメータが必須であり、これはM_{H±} > M_h, M_H, M_A を満たす場合にのみ実現可能であり、これによりM_Wへの必要な補正が得られる。
• 2HDMタイプXでは、h → μ⁺μ⁻ の崩壊断面積が最大で3×10⁻³に達する可能性があり、将来的な実験で観測可能となる可能性がある。
• CP不変ヒッグスAについては、運動的許容範囲内にある場合、A → Zh が支配的になるが、Zh閾値未満では2HDMタイプXにおいてA → ττ が優勢になる。
• charged Higgs H±の主要崩壊モードは、W±h閾値を超えた後、2HDMタイプIおよびタイプXの両方でH± → W±h となる。