[论文解读] Is the new CDF $M_W$ measurement consistent with the two higgs doublet model?

H. Abouabid, A. Arhrib+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文研究了具有反常层次结构的双 Higgs 双生模型（2HDM）是否能够解释新的 CDF 实验对 W 玻色子质量的测量结果，该结果与标准模型预测存在 7.0σ 的偏离。研究发现，当一个重的 CP 偶态 Higgs（即 125 GeV Higgs）和一个质量超过 161 GeV 的带电 Higgs 存在时，2HDM 可通过正的 T 参数贡献重现 CDF 的结果；而当带电 Higgs 与 CP 奇态 Higgs 质量简并时，则被排除。

ABSTRACT

Motivated by the new CDF measurement of the $W$ boson mass reported recently which clearly illustrates a large deviation compared to the Standard Model (SM) prediction. In the present paper, we study the Two-Higgs Doublet Model (2HDM) contributions to $M_W$ and its phenomenological implications in the case where the heavy CP-even $H$ is identified as the observed Higgs boson with a mass of $125$ GeV. Taking into account theoretical and all the available experimental constraints as well as the new CDF measurement, we demonstrate that the 2HDM parameter space can provide a large correction which predicts the W mass close to the new CDF $M_W$ measurement. It is found that $M_{H\pm}=M_A$ is excluded and the splitting of the charged Higgs boson with all other states is positive. We also discuss the consequence on the effective mixing angle $\sin^2θ_{ ext{eff}}$ as well as the phenomenological implications on the charged Higgs and CP-odd decays.

研究动机与目标

• 评估双 Higgs 双生模型（2HDM）是否能够解决新的 CDF 实验测得的 W 玻色子质量与标准模型预测之间 7.0σ 的偏差。
• 研究在 125 GeV Higgs 玻色子被识别为重的 CP 偶态 Higgs（H），而非轻的 CP 偶态 Higgs（h）的条件下，2HDM 能谱的物理含义。
• 确定类型 I 和类型 X 的 2HDM 允许的参数空间，以重现 CDF 测得的 W 玻色子质量，同时满足理论与实验约束。
• 分析在允许的参数空间内，带电 Higgs、CP 奇态 Higgs 和轻的 CP 偶态 Higgs 的衰变模式。

提出的方法

• 利用 oblique S、T、U 参数形式，计算 2HDM 中的 W 玻色子质量与有效混合角，该形式参数化了新物理对规范玻色子自能的贡献。
• 该模型假设反常层次结构，即重的 CP 偶态 Higgs（H）为 125 GeV 状态，而轻的 CP 偶态 Higgs（h）低于 125 GeV。
• 对 2HDM 参数空间进行全局扫描，施加理论约束（幺正性、真空稳定性）与实验限制（Higgs 信号强度、LEP、LHC、电弱精确测量观测）。
• 分析中包含对 W 玻色子质量与有效混合角的完整一阶量子修正，特别关注 T 参数作为偏差主要来源。
• 在允许的参数空间内数值计算 H±、A 和 h 的分支比，重点关注其衰变为 W±h、Zh、ττ、bb 和 μμ 的过程。
• 对比分析 2HDM 类型 I 与类型 X 的结果，重点关注费米子耦合与衰变模式的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有反常层次结构的双 Higgs 双生模型能否解释 CDF 实验中 W 玻色子质量测量结果的 7.0σ 偏差？
• RQ2 在匹配 CDF 测得的 W 玻色子质量时，2HDM 中带电 Higgs 与 CP 奇态 Higgs 的质量受到何种约束？
• RQ3 在新的 CDF 约束下，2HDM 类型 I 与类型 X 中带电 Higgs 与 CP 奇态 Higgs 的衰变分支比有何不同？
• RQ4 T 参数在 2HDM 中如何产生对 W 玻色子质量所需的修正？
• RQ5 在新的 CDF 测量与实验约束下，质量简并情形 M_{H±} = M_A 是否可行？

主要发现

• 当带电 Higgs 质量超过约 161 GeV 时，具有反常层次结构的 2HDM 可重现 CDF 测得的 W 玻色子质量。
• 当 M_{H±} = M_A 时，该情形被新的 CDF 数据排除，因为此时 T 参数趋近于零，不足以解释 7.0σ 的偏差。
• 必须存在正的 T 参数，这仅在 M_{H±} > M_h, M_H, M_A 的条件下实现，从而确保对 M_W 的必要修正。
• 在 2HDM 类型 X 中，h → μ⁺μ⁻ 的分支比可高达 3×10⁻³，未来实验中或可被探测到。
• 对于 CP 奇态 Higgs A，当相空间允许时，A → Zh 衰变成为主导模式；而在 2HDM 类型 X 中，Zh 阈值之前 A → ττ 占主导。
• 在 2HDM 类型 I 与类型 X 中，一旦越过 W±h 门槛，带电 Higgs H± 的主要衰变模式均为 H± → W±h。