[论文解读] Implications of the new CDF-II $W$-boson mass on two-Higgs-doublet models

Yang Hwan Ahn, Sin Kyu Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

本文研究了CDF-II对W玻色子质量的新测量结果（与标准模型预测存在7σ偏差）如何约束双 Higgs 双生模型（2HDM）的参数空间。通过结合W玻色子质量与$¯{ m MS}$-重整化的弱混合角，该研究利用S和T参数表明，只有当125.1 GeV的希格斯粒子为较轻的CP偶态标量时，2HDM才能容纳CDF结果，且对带电和中性希格斯粒子的质量及混合角施加了显著约束。

ABSTRACT

We present the implications of the recent measurement of $W$ boson at CDF II on the two-Higgs-doublet model (2HDM). In the analysis, we impose theoretical bounds such as vacuum stability and perturbative unitarity, and several experimental constraints. In addition, we take into account the measurement of $\sin^2θ_W(m_Z)_{ m \bar{MS}}$ on top of the CDF $W$-boson mass to investigate how the $S$ and $T$ parameters are determined. We explore two possible scenarios depending on whether the Higgs boson observed at the LHC is the lighter or heavier of $CP$-even neutral Higgs bosons for 2HDM type I and II. Using the results, we show how the parameter space is constrained, and compare it with the one based on the PDG average of $m_W$. Furthermore, we explore phenomenological consequences of electroweak precision observables that can be affected by $m_W$ within the predictions of the 2HDM, and the reduction in parameter space expected from future measurements at the Future Circular Lepton Collider.

研究动机与目标

• 评估双希格斯双生模型（2HDM）在解释CDF-II对W玻色子质量测量结果方面的可行性，该测量结果与标准模型预测存在7σ偏差。
• 研究CDF-II的$m_W$测量结果与PDG给出的$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$平均值相结合时，如何约束2HDM中的S和T参数。
• 比较在CDF-II的$m_W$值与PDG平均值下2HDM允许的参数空间，重点关注对希格斯粒子质量与混合角的影响。
• 评估$m_W$偏差对电弱精确观测量（特别是Z玻色子衰变宽度）的表观物理后果。
• 预测未来在未来环形电子-positron对撞机（FCC-ee）上的测量如何在2HDM框架下区分CDF-II与标准模型的预测。

提出的方法

• 该分析使用S和T参数来参数化2HDM中标量场对新物理贡献的影响，将其与$m_W$和$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$的偏差联系起来。
• 对2HDM参数空间施加理论约束，如真空稳定性、微扰性与幺正性，以确保物理一致性。
• 应用来自LEP、Tevatron和LHC的实验约束，以限制类型I和类型II 2HDM中希格斯粒子的质量与耦合。
• 考虑两种情形：(1) 125.1 GeV希格斯粒子为较轻的CP偶态标量（$M_h < 125.1$ GeV），(2) 为较重的CP偶态标量（$M_H > 125.1$ GeV），并分别施加不同的参数空间约束。
• 计算S和T参数的允许区域，使其能同时重现CDF-II的$m_W$与PDG给出的$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$平均值。
• 通过估计未来FCC-ee对电弱精确观测量（特别是Z玻色子衰变宽度）的不确定性将降低500倍，评估其在区分CDF-II与SM预测方面的前景。

实验结果

研究问题

• RQ1 2HDM能否在保持与测量的$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$一致的前提下，容纳CDF-II测得的$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV？
• RQ2 当使用CDF-II的$m_W$与PDG平均$m_W$时，S和T参数的允许区域有何不同？
• RQ3 当125.1 GeV希格斯粒子被识别为较轻或较重的CP偶态标量时，2HDM中希格斯粒子的质量与混合角受到何种约束？
• RQ4 在两种情形下，对斜率参数$T$的所需值有何差异？这对带电与中性希格斯玻色子之间的质量差有何启示？
• RQ5 未来FCC-ee对Z极点观测量的测量在多大程度上能够区分2HDM框架下CDF-II的$m_W$偏差与标准模型预测？

主要发现

• 当125.1 GeV希格斯粒子为较轻的CP偶态标量（情形1）时，该情形更受青睐，因其允许更宽广且一致的参数空间，能同时容纳CDF-II的$m_W$与测量的$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$。
• 在情形2中（125.1 GeV希格斯为较重的CP偶态标量），所需的S参数降至$-0.02$以下，导致$\sin^2\theta_W(m_Z)_{\overline{\rm MS}}$值仅勉强落在PDG平均值的3σ范围内。
• 在情形2中，首选的质量差$M_{H^\pm} - M_h$主要为正，最大可达600 GeV，且当质量差为正时，T参数值被限制在单一连通区域内。
• 在2HDM-II中，为解释CDF的$m_W$而需要的轻带电希格斯粒子质量与味物理约束（特别是$\bar{B} \to X_s \gamma$）存在矛盾，后者限制$M_{H^\pm} > 600$ GeV。
• T参数被发现是导致$m_W$变化的主要贡献者，且在比较CDF-II与PDG的$m_W$值时，T参数的允许区域互不重叠。
• 未来FCC-ee测量预计可将不确定性降低500倍，有望清晰地区分CDF-II的$m_W$偏差与标准模型预测，特别是通过Z玻色子衰变宽度，若2HDM解释正确，该量将表现出显著偏差。