[论文解读] New physics effects on the $W$-boson mass from a doublet extension of the SM Higgs sector

Henning Bahl, Johannes Braathen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 85被引用 66

一句话总结

本文研究了两种希格斯双重态模型（2HDM）是否能够解释CDF合作组对W玻色子质量的新测量结果，该结果与标准模型预测值相差7σ。通过两圈电弱修正和全局约束，作者识别出2HDM的参数区域——尤其是I型——在预测的W玻色子质量与CDF结果一致的同时，仍与弱混合角和Z玻色子宽度的精确数据相容。

ABSTRACT

Recently, the CDF collaboration has reported a new precision measurement of the $W$-boson mass, $M_W$, showing a large deviation from the value predicted by the Standard Model (SM). In this paper, we analyse possible new physics contributions to $M_W$ from extended Higgs sectors. We focus on the Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) as a concrete example. Employing predictions for the electroweak precision observables in the 2HDM at the two-loop level and taking into account further theoretical and experimental constraints, we identify parameter regions of the 2HDM in which the prediction for $M_W$ is close to the new CDF value. We assess the compatibility of these regions with precision measurements of the effective weak mixing angle and the total width of the $Z$ boson.

研究动机与目标

• 评估两种希格斯双重态模型（2HDM）能否解释CDF对W玻色子质量的测量结果，该结果比标准模型预测值高出7σ。
• 评估2HDM对W玻色子质量的预测与有效弱混合角和Z玻色子总宽度实验约束的相容性。
• 识别出可行的2HDM参数区域——特别是I型——使得W玻色子质量预测与新的CDF结果一致，同时满足真空稳定性、幺正性和直接搜寻限制。
• 采用2HDM中电弱精确可观测量的最先进两圈计算，包含主要的非标准模型修正。

提出的方法

• 本研究使用THDM EWPOS代码计算2HDM中具有软性破缺Z2对称性的两圈电弱精确可观测量修正，包括W玻色子质量。
• 在对齐极限（α = β − π/2）下分析该模型，将最轻的CP偶态希格斯粒子识别为125 GeV的标准模型类希格斯玻色子。
• 利用文献[14, 15]中的解析表达式计算ρ参数的两圈修正，包含完整的单圈和主导两圈贡献。
• 分析中纳入了真空稳定性、从下界有界性、NLO微扰幺正性、HiggsSignals（希格斯耦合拟合）、HiggsBounds（直接搜寻）以及b物理可观测量的约束。
• W玻色子质量的预测值通过∆MW ≈ (1/2)MW (cW² / (cW² − sW²)) ∆ρ从ρ参数修正推导得出。
• 所有希格斯粒子质量均在壳方案下进行重整化，顶夸克是两圈计算中唯一的质量费米子。

实验结果

研究问题

• RQ1 两种希格斯双重态模型（2HDM）能否产生足够大的W玻色子质量上移，以匹配CDF测量的80.4335 ± 0.0094 GeV？
• RQ2 预测高W玻色子质量的2HDM参数区域是否与有效弱混合角和Z玻色子总宽度的精确测量相容？
• RQ3 哪些可行的2HDM参数区域——特别是I型——在满足理论与实验约束的同时，能重现CDF对W玻色子质量的测量结果？
• RQ4 2HDM中ρ参数的两圈修正如何影响W玻色子质量的预测？它们能否解决与标准模型之间的7σ张力？

主要发现

• 在I型中，2HDM可在带电希格斯粒子质量接近顶夸克质量时，产生与CDF测量值80.4335 GeV一致的W玻色子质量预测。
• 存在参数区域，使得2HDM预测的MW ≈ 80.4335 GeV，同时与测量的有效弱混合角和Z玻色子总宽度相容。
• 当带电希格斯粒子质量接近顶夸克质量时，相容性增强，这是由于规范对称性破缺修正的部分抵消所致。
• 在真空稳定性、微扰幺正性、HiggsSignals（希格斯耦合拟合）、HiggsBounds（直接搜寻）以及b物理约束下，该模型依然可行，尤其当tan β适中时。
• ρ参数的两圈修正对于精确匹配CDF结果至关重要，因为单圈修正本身不足以解决7σ张力。
• 分析表明，2HDM可在不违反现有实验限制的前提下解释W玻色子质量异常，特别是在mH± ≈ mt且tan β ≈ 1–5时。