[论文解读] Excesses in the low-mass Higgs-boson search and the $\varvec{W}$-boson mass measurement

Thomas Biekötter, S. Heinemeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 18

一句话总结

本文提出，CDF最新测量的W玻色子质量（显著高于标准模型预测值）可在一种包含实singlet的Yukawa类型IV双Higgs双重模型（N2HDM）中得到解释。该模型同时能够解释在约95 GeV处观测到的γγ、τ⁺τ⁻和b¯b末态中Higgs信号的过剩，其机制是通过重Higgs粒子之间的质量劈裂产生显著的T参数贡献，从而使MW提升至与CDF测量值一致。

ABSTRACT

The CDF collaboration recently reported a measurement of the $W$-bososmass, $M_W$, about seven standard deviations above the Standard Model(SM). The question arises whether extensions of the SM exist that canaccomodate such large values, and what further phenomenologicalconsequences arise from this.A different type of deviation from the SM has been observedexperimentally in the searches for light Higgs bosons. CMS has observedtwo $\sim 3\,\sigma$ in the $\gamma\gamma$ and $ au^+ au^-$ final states for ahypothetical Higgs-boson mass of $\sim 95$ GeV. These two excesses arecompatible with the corresponding ATLAS limits. A third excess wasobserved in the $b \bar b$ final state at the $\sim 2\,\sigma$ level at aboutthe same Higgs-boson mass.It was shown recently that the three excesses can be described the the2HDM extended with a real singlet (N2HDM) of Yukawa type~IV, while beingin agreement with all other theoretical and experimental constraints.We demonstrate that the parameter space that accomodates the threeexcesses can also give a large contribution to $M_W$ in agreement withthe recent CDF measurement. We discuss further phenomenologicalconsequences of this scenario

研究动机与目标

• 研究CDF测量的W玻色子质量（80.4335 GeV）与标准模型预测值之间的显著偏差是否可通过标准模型内的新物理机制解释。
• 确定同一模型是否能同时描述CMS和LEP数据中约95 GeV处多个低质量Higgs玻色子过剩信号。
• 探索统一CDF W玻色子质量异常与低质量Higgs信号的模型的唯象学后果。
• 评估该模型与理论及实验约束的一致性，包括电弱精确测量可观测量和对撞机限制。

提出的方法

• 该研究采用一种包含实singlet标量的双Higgs双重模型（N2HDM），其Yukawa类型为IV，可允许约95 GeV处的singlet-like Higgs玻色子。
• 通过数值扫描模型的参数空间，识别出能同时以约3σ局部显著性解释~95 GeV处γγ、τ⁺τ⁻和b¯b过剩的区域。
• 计算T参数作为重Higgs态（h3、A、H±）之间质量劈裂的函数，该参数直接影响W玻色子质量的预测值。
• 将模型的预测与LEP、Tevatron和LHC的实验约束进行对比，包括Higgs耦合和Higgs门户相互作用的限制。
• 评估该模型与SLD和LEP测得的有效弱混合角的一致性，以检验其与电弱精确数据的兼容性。
• 探讨是否存在强一阶电弱相变的可能性，因其与增强T参数的相同质量层次结构相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有实singlet的N2HDM是否能解释CDF测量的W玻色子质量（80.4335 GeV），同时与其它实验约束保持一致？
• RQ2 在N2HDM中是否存在一个参数区域，使得一个约95 GeV的Higgs玻色子能同时解释CMS和LEP观测到的γγ、τ⁺τ⁻和b¯b过剩？
• RQ3 重Higgs态（h3、A、H±）之间的质量劈裂在产生显著T参数贡献方面起什么作用，从而提升MW至超过标准模型预测值？
• RQ4 该模型与电弱精确可观测量（如sin²θeff）的一致性如何，与SLD和LEP的数据相比如何？
• RQ5 能解释W玻色子质量与低质量Higgs信号的相同质量层次结构是否也能支持强一阶电弱相变，从而与重子生成和引力波产生相关？

主要发现

• 具有Yukawa类型IV的实singletN2HDM能够同时描述CDF测量的W玻色子质量（80.4335 GeV）以及在γγ、τ⁺τ⁻和b¯b末态中约95 GeV处的低质量Higgs过剩信号。
• 能够解释三个Higgs过剩的参数区域，也产生足够大的T参数增强，使MW提升至CDF测量值，其中h3与简并的A和H±态之间的质量劈裂起关键作用。
• 该模型与所有当前的理论和实验约束保持一致，包括电弱精确数据和对撞机限制。
• 质量层次mh3 < mA ≈ mH±的结构自然导致大的T参数，从而产生较高的MW预测值。
• 该模型还能通过CP-奇Higgs玻色子A容纳CMS在约400 GeV处观测到的二顶夸克末态中3.5σ的过剩信号。
• 若未来MW的世界平均值包含CDF结果，其值可能介于当前PDG平均值与CDF中心值之间，该模型在此情景下依然可行，但T参数值略有降低。