[論文レビュー] New physics effects on the $W$-boson mass from a doublet extension of the SM Higgs sector

Henning Bahl, Johannes Braathen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 85被引用数 66

ひとこと要約

この論文は、標準模型予測から7σずれていたCDF共同研究のWボソン質量測定を2HDMが説明可能かどうかを調査している。2ループ電弱補正とグローバル制約を用いて、特にタイプIにおいて、予測されるWボソン質量がCDFの値と一致し、弱混合角およびZボソン幅の精度データとも整合する2HDMパラメータ領域を同定した。

ABSTRACT

Recently, the CDF collaboration has reported a new precision measurement of the $W$-boson mass, $M_W$, showing a large deviation from the value predicted by the Standard Model (SM). In this paper, we analyse possible new physics contributions to $M_W$ from extended Higgs sectors. We focus on the Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) as a concrete example. Employing predictions for the electroweak precision observables in the 2HDM at the two-loop level and taking into account further theoretical and experimental constraints, we identify parameter regions of the 2HDM in which the prediction for $M_W$ is close to the new CDF value. We assess the compatibility of these regions with precision measurements of the effective weak mixing angle and the total width of the $Z$ boson.

研究の動機と目的

• 2HDMが、標準模型予測から7σずれていたCDFによるWボソン質量測定を説明可能かどうかを評価すること。
• 2HDMによるWボソン質量予測が、有効弱混合角およびZボソン全幅に関する実験的制約と整合するかどうかを評価すること。
• 特にタイプIにおいて、Wボソン質量予測が新しいCDF結果と一致し、真空安定性、ユニタリティ、直接探索限界を満たす可能な2HDMパラメータ領域を同定すること。
• 2HDMにおける電弱精度観測量の最新2ループ計算を用い、主要な非標準模型補正を組み込むこと。

提案手法

• 研究では、ソフトに破れたZ2対称性を有する2HDMにおいて、電弱精度観測量（Wボソン質量を含む）の2ループ補正を計算するためにTHDM EWPOSコードを用いた。
• モデルはアライメント限界（α = β − π/2）で分析され、CP偶性の軽いヒッグス粒子が125 GeVの標準模型に類似たヒッグス粒子として特定された。
• ρパラメータの2ループ補正は、参考文献[14, 15]の解析的表現を用いて計算され、1ループの完全な寄与と主要な2ループ寄与が含まれた。
• 真空安定性、下からの有界性、NLO摂動的ユニタリティ、HiggsSignals（ヒッグスカップリングフィット）、HiggsBounds（直接探索）、およびb物理学の観測量からの制約が含まれた。
• Wボソン質量予測は、ρパラメータ補正から導出され、∆MW ≈ (1/2)MW (cW² / (cW² − sW²)) ∆ρ と表される。
• すべてのヒッグス粒子質量はオンシェル規格化で扱われ、2ループ計算においてトップクォークのみが質量を持つフェルミオンであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMは、80.4335 ± 0.0094 GeVというCDF測定値に一致するほど大きな上向きのWボソン質量シフトを生成可能か？
• RQ2 Wボソン質量が高いと予測される2HDMパラメータ領域は、有効弱混合角およびZボソン全幅の精度測定と整合するか？
• RQ3 特にタイプIにおいて、理論的および実験的制約を満たし、CDFのWボソン質量を再現する可能な2HDMパラメータ領域は何か？
• RQ4 2HDMにおけるρパラメータの2ループ補正は、Wボソン質量予測にどのように影響を与え、7σの標準模型との不一致を解消できるか？

主な発見

• 特にタイプIにおいて、チャージドヒッグス粒子質量がトップクォーク質量に近い場合、2HDMはCDF測定値80.4335 GeVと整合するWボソン質量予測を生成できる。
• Wボソン質量がMW ≈ 80.4335 GeVと予測されるパラメータ領域が存在し、測定された有効弱混合角およびZボソン全幅と整合する。
• チャージドヒッグス粒子質量がトップクォーク質量に近い場合、カスティドル対称性破れ補正の部分的キャンセルが生じ、精度データとの整合性が向上する。
• 特にtan βが中程度のとき、真空安定性、摂動的ユニタリティ、HiggsSignals（ヒッグスカップリングフィット）、HiggsBounds（直接探索）、およびb物理学の制約を満たす中で、モデルは有効性を保つ。
• 2ループ補正によるρパラメータの補正が、CDF値との正確な一致を達成するために不可欠であり、1ループ補正のみでは7σの不一致を解消できない。
• 分析から、mH± ≈ mt かつ tan β ≈ 1–5 のとき、2HDMは既存の実験的限界を破らずにWボソン質量異常を説明可能であることが示された。