[论文解读] Higgs physics confronts the $M_W$ anomaly

Luca Di Luzio, Ramona Groeber+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文建立了 $M_W$ 异常（由CDF测量结果超出标准模型预测所体现）与希格斯玻色子衰变率修改之间的直接联系，特别是 $h\to\gamma\gamma$。系统地分类了能通过树图级 $\hat{T}$ 变化解释该异常的新物理模型，识别出五种可行情景，涉及重的新的物理态（如标量三重态、$Z'$、矢量三重态），尽管这些态无法被直接探测，但可能在希格斯信号中留下可观测的痕迹。

ABSTRACT

The recent high-precision measurement of the $W$ mass by the CDF collaboration is in sharp tension with the Standard Model prediction as obtained by the electroweak fit. If confirmed, this finding can only be explained in terms of new physics effects. In this work, we point out a generic connection between the $M_W$ anomaly and Higgs physics observables such as $h oγγ, Zγ$ and the ratio $h o ZZ/WW$. Moreover, we systematically classify new physics scenarios which can address the $M_W$ anomaly via a tree-level contribution to the $\hat T$ parameter. These include a real scalar triplet, a scalar quadruplet with the same hypercharge of the Higgs doublet, a $Z'$ boson, a vector triplet with unit hypercharge and a vector boson with the gauge quantum numbers of the Higgs doublet. These solutions to the $M_W$ anomaly are characterized by new physics states which are typically too heavy to be discovered in direct searches, but which might leave their imprints in Higgs physics.

研究动机与目标

• 建立 $M_W$ 异常与希格斯玻色子衰变可观测量（如 $h\to\gamma\gamma$、$Z\gamma$ 和 $h\to ZZ/WW$）之间的一般性联系。
• 识别并分类能通过树图级 $\hat{T}$ 参数贡献解释 $M_W$ 异常的新物理情景。
• 探讨尽管这些模型中的新物理态过重而无法被直接探测，却可能在希格斯信号强度中留下可观测痕迹的机制。
• 在 SMEFT 框架内评估这些模型的可行性，并分析其在希格斯物理中的现象学信号。

提出的方法

• 在华沙基中使用标准模型有效场论（SMEFT）将 $\hat{T}$ 和 $\hat{S}$ 参数与涉及希格斯双生子的维数6算符联系起来。
• 推导 SMEFT 威尔逊系数与物理可观测量之间的对应关系：$\hat{T} = -v^2 c_{HD}/2$ 和 $\hat{S} = (c_W/s_W) v^2 c_{HWB}$。
• 通过环图或树图匹配计算具有 $d \leq 4$ 相互作用的显式紫外完备模型（标量与矢量多重态）的 $\hat{T}$ 和 $\hat{S}$ 贡献。
• 通过计算新物理贡献引起的有效耦合修正，评估由此产生的希格斯衰变率，特别是 $h\to\gamma\gamma$。
• 应用 $\hat{T}$ 参数约束，推导出实现 $\hat{T} \sim 10^{-3}$ 所需的耦合与质量（例如 $M_{\text{NP}} \sim 10$ TeV）。
• 执行场重定义以确保规范动能项为标准形式，并在低能有效场论中计算有效耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 $M_W$ 异常是否可与希格斯玻色子衰变率的可观测偏离（如 $h\to\gamma\gamma$ 和 $h\to Z\gamma$）相联系？
• RQ2 哪些新物理模型能产生量级为 $10^{-3}$ 的树图级 $\hat{T}$ 变化以解释 $M_W$ 异常？
• RQ3 此类模型在希格斯物理中的现象学信号是什么，特别是在 $h\to\gamma\gamma$ 和 $h\to ZZ/WW$ 率方面？
• RQ4 新物理态的耦合与质量如何影响 $\hat{T}$ 的大小以及由此产生的希格斯信号修正？
• RQ5 具有 $\mathcal{O}(1)$ 耦合且 $M_{\text{NP}} \sim 10$ TeV 的模型能否在满足直接搜寻限制的前提下解释 $M_W$ 异常？

主要发现

• $M_W$ 异常与希格斯衰变率的修改存在普遍联系，尤其是 $h\to\gamma\gamma$，这是由于共享的涉及希格斯真空期望值的维数6 SMEFT 算符所致。
• 由异常所需的正 $\hat{T} \sim 10^{-3}$ 可通过五种不同新物理模型的树图贡献实现：标量三重态、标量四重态、$Z'$、矢量三重态和矢量双态。
• 对于 $M_{\text{NP}} \sim 3$ TeV 且 $\mathcal{O}(1)$ 耦合的情况，模型 $\mathcal{W}_1 \sim (1,3,1)_{\mathcal{V}}$ 可产生 $\hat{T} \approx 0.84 \times 10^{-3}$，与所需变化一致。
• 当 $\hat{S} \sim 10^{-3}$ 时，$h\to\gamma\gamma$ 率可被调制高达 +20\%，使其成为对 $M_W$ 异常最敏感的可观测量。
• $h\to Z\gamma$ 和 $h\to ZZ/WW$ 率的偏离较小，目前尚低于现有实验的探测灵敏度。
• 标量四重态模型 $\Theta_1 \sim (1,4,1/2)_{\mathcal{S}}$ 需要一个轻的 $\mathcal{O}(1)$ TeV 状态，并预测三线希格斯自耦合有显著偏离，因此可行性较低。