[论文解读] Interpreting the $\boldsymbol{W}$-Mass and Muon $\boldsymbol{(g_μ-2)}$ Anomalies within a 2-Higgs Doublet Model

Rachid Benbrik, Mohammed Boukidi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种具有轻子味破坏的类型III两希格斯双重模型（2HDM），以同时解释费米实验室μ子的$(g_\mu-2)$异常和CDF-II实验对$W$玻色子质量的测量。通过引入带电和中性希格斯玻色子（$H^\pm$，$A$，$H$）之间的非零质量劈裂，该模型在实验和理论约束下成功调和了两个异常，偏好负的$S$参数值，并且$ m_W $与CDF-II 2022年的结果一致。

ABSTRACT

In this study, we investigate the anomalous magnetic moment of the muon $(g_μ-2)$ as reported by Fermilab (FNAL), along with the recent measurement of the $W$-boson mass by the CDF-II collaboration. Both findings show significant deviations from the predictions of the Standard Model (SM), hinting at the possibility of new physics. Our focus is on the Type III two-Higgs-doublet model (2HDM), wherein both Higgs doublets couple with all fermions, leading to the induction of flavour-changing neutral currents (FCNCs) at the tree level. Within this framework, we investigate a lepton-flavour-violating (LFV) scenario, aiming to explain both observed anomalies, while satisfying the up-to-date theoretical and experimental constraints.

研究动机与目标

• 解决费米实验室μ子$g-2$实验测得的5.0σ muon反常磁矩（$g_\mu-2$）差异。
• 调和CDF-II 2022年对$W$玻色子质量（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）的测量，其与标准模型预测偏差达7σ。
• 探索类型III 2HDM中轻子味破坏（$\mu\!\to\!\tau$）情形，该情形诱导树图级味改变中性流（FCNCs）。
• 满足当前理论和实验约束，包括电弱精确观测量（EWPOs）、$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$和$\Delta a_\mu$在2σ范围内。
• 确定单一2HDM框架是否能同时解释两个异常而不违反现有限制。

提出的方法

• 采用具有两个复数SU(2)$_L$希格斯双重态（$\Phi_1$，$\Phi_2$）的类型III 2HDM，其中两者均与所有费米子耦合，导致树图级FCNCs。
• 通过$\chi_{ij}^{\ell}$耦合实现轻子味破坏的Yukawa相互作用，以介导$\mu\!\to\!\tau$跃迁。
• 在固定$ m_H = 125.09 $ GeV和$ c_{\beta-\alpha} $、$ \tan\beta $、$ \chi_{ij}^{\ell} $的前提下，对$ m_H - m_{H^\pm} $和$ m_H - m_A $进行简化参数扫描。
• 利用$S$和$T$参数约束模型，其中$S$参数值不支持质量简并。
• 将预测值与CDF-II和PDG 2021年数据中的$ m_W $和$ \sin^2\theta_{\mathrm{eff}} $进行比较，并与费米实验室的$ \Delta a_\mu $测量结果对比。
• 应用来自$ \Delta a_\mu $（在2σ范围内）、$ \sin^2\theta_{\mathrm{eff}} $测量（世界平均值和SLD）以及希格斯质量与耦合的理论边界约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有轻子味破坏的类型III 2HDM能否同时解释$g_\mu-2$异常和CDF-II对$W$玻色子质量的测量？
• RQ2 为满足两个异常和约束，带电和中性希格斯玻色子（$H^\pm$，$A$，$H$）之间的质量劈裂需要满足什么条件？
• RQ3 $S$和$T$参数如何约束该模型？CDF-II和费米实验室数据偏好哪些参数值？
• RQ4 当与$\Delta a_\mu$测量结果结合时，CDF-II观测到的$ m_W $值是否与2HDM框架相容？
• RQ5 有效弱混合角$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$在此情形下在区分标准模型与2HDM预测中起什么作用？

主要发现

• 该模型在2σ范围内成功解释了CDF-II对$W$玻色子质量的测量（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV），其$ m_W $预测与CDF-II数据和SLD测量结果最为一致。
• 该模型的$\Delta a_\mu$值位于费米实验室测量结果（$\Delta a_\mu = (25 \pm 4.8) \times 10^{-10}$）的2σ范围内，表明与观测异常一致。
• $H$、$A$和$H^\pm}$之间的质量简并不被支持；需要非零且负的$ m_H - m_{H^\pm} $劈裂以同时满足两个异常。
• $S$参数为负且非零，支持CDF-II的$ m_W $测量结果，并使该模型与标准模型区分开来。
• 该模型对$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$的预测值范围为[0.23107, 0.23130]（CDF-II）和[0.2314, 0.2316]（PDG），与实验数据一致。
• 只有当$ m_H - m_{H^\pm} $非零时，才存在满足所有约束（包括$\Delta a_\mu$、$m_W$、$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$和理论限制）的参数点，表明希格斯质量劈裂在其中起关键作用。