[论文解读] 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 70

一句话总结

本文研究了CDF II实验中W玻色子质量的异常现象——测量值为80.4335 ± 0.0094 GeV，比标准模型预测高出7σ——是否能在具有非简并三重态希格斯玻色子的希格斯三重态模型（HTM）中得到解释。研究结果表明，当三重态真空期望值v∆ ≈ 2–6 GeV，且H±±、H±与A/H之间的质量分裂√Δm² ≈ 160–200 GeV时，该异常可被解释，同时满足ρ参数、弱混合角、Z玻色子宽度以及LHC直接搜寻的约束。

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.

研究动机与目标

• 解释CDF II实验测得的W玻色子质量与标准模型预测之间7σ的偏离。
• 评估希格斯三重态模型（HTM）是否能在满足电弱精确可观测量的前提下容纳该异常。
• 确定HTM中三重态希格斯玻色子间存在非零质量差且v∆较小时的可行参数区域。
• 确保与当前LHC对同号双玻色子衰变及H±±衰变的直接搜寻结果相容。
• 评估该模型对希格斯玻色子衰变至光子过程（h → γγ）的影响，并与LHC数据进行比较。

提出的方法

• 采用一阶圈图外壳重整化方案（Scheme-II），以αem、GF、mZ和v∆作为输入参数。
• 利用∆r形式化方法计算mW、ρ、sW以及Z→ff衰变宽度的一阶圈修正，包含∆αem、∆ρloop和∆rrem项。
• 对A–G0混合施加外壳条件以确定反顶项，确保重整化的一致性。
• 从包含ρren和Z–γ混合函数的Zff耦合中推导出有效弱混合角sin²θeff,f。
• 在HTM中评估希格斯玻色子衰变宽度Γ(h→γγ)，并与标准模型比较，定义Rγγ = ΓHTM/ΓSM。
• 应用来自ρ参数（ρ = 1.0002 ± 0.0009）、Z衰变宽度以及LHC对H±± → W±W±直接搜寻的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有非简并三重态希格斯态的希格斯三重态模型中，CDF II实验测得的W玻色子质量异常是否可被解释？
• RQ2 HTM中哪些参数区域（v∆, mL, ∆m², λ4）可满足电弱精确可观测量？
• RQ3 三重态类希格斯玻色子之间的质量分裂如何影响W玻色子质量及其他电弱参数？
• RQ4 该模型是否与当前LHC对H±± → W±W±及H± → W±H±的直接搜寻结果一致？
• RQ5 在此情形下，希格斯玻色子衰变至光子过程（h → γγ）的预测偏离是多少？

主要发现

• 当v∆ ≈ 2–6 GeV且H±±、H±与A/H之间的质量分裂√Δm² ≈ 160–200 GeV时，HTM可解释W玻色子质量异常。
• 当mH±± ≈ 350 GeV且mH/A ≈ 300 GeV时，v∆ = 2 GeV且√Δm² ≈ 160 GeV可重现该异常。
• 满足CDF异常的参数区域与LHC对H±± → W±W±的直接搜寻结果一致，尤其在级联衰变导致分支比降低时更为显著。
• h → γγ衰变宽度与标准模型相比偏离约百分之几，该偏离在当前LHC限制范围内（Rγγ ≈ 1.02–1.04）。
• 该模型在ρ参数（ρ ≈ 1.0002 ± 0.0009）、有效弱混合角及轻子型Z衰变宽度的约束下仍具可行性。
• 当∆m² > 0时，质量层次为mH±± > mH± > mH；当∆m² < 0时，质量层次为mH±± < mH± < mH，具体取决于λ5的符号，两种情形均与异常一致。