[论文解读] Signal strength and W-boson mass measurements as a probe of the electro-weak phase transition at colliders -- Snowmass White Paper

Andreas Papaefstathiou, Tania Robens+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了标准模型的单重态标量扩展，该扩展可实现强一阶电弱相变（SFO-EWPT），这是电弱重子生成的关键条件。利用125 GeV Higgs玻色子的信号强度测量和精确的W玻色子质量数据，本研究表明，当前和未来的对撞机能够探测到可行的SFO-EWPT区域，其中W玻色子质量的偏差和Higgs信号强度对混合角及标量质量提供了强有力的约束。

ABSTRACT

We consider an extension of the scalar sector of the Standard Model (SM) by an additional gauge singlet, which mixes with a part of the SM-like Higgs doublet. Within this model, parameter-space regions exist that can lead to a strong first-order electro-weak phase transition, a necessary condition for electro-weak baryogenesis. We discuss how such regions of the parameter space can be tested using the SM-like Higgs boson's signal strength measurements, as well as precision observables, such as e.g. the W-boson mass, at current and future colliders.

研究动机与目标

• 识别标准模型单重态标量扩展中支持强一阶电弱相变（SFO-EWPT）的可行参数空间区域，这是电弱重子生成的必要条件。
• 评估当前和未来对撞机通过125 GeV Higgs信号强度和W玻色子质量的精确测量对SFO-EWPT区域的探测灵敏度。
• 通过聚焦于‘极度保守’的点（即SFO-EWPT不依赖规范参数和重整化尺度变化）来评估理论的稳健性。
• 利用当前实验数据（包括W玻色子质量偏差和Higgs信号强度限制）约束该模型，并预测在高精度对撞机上的未来探测灵敏度。

提出的方法

• 该模型在标准模型标量 sector 中引入一个与规范群无关的实标量单重态场，与SM类Higgs双态混合，引入五个新参数：$K_1$、$K_2$、$M_S$、$\rho$ 和 $\rho_S$。
• 通过包含一阶量子修正和红外模式主导项重求和（Arnold-Espinosa方法）的有限温度有效势评估相变性质，确保结果具有规范依赖性但稳健。
• 在五维参数空间中进行随机扫描，仅选择那些SFO-EWPT在规范参数和重整化尺度变化下保持稳定的‘极度保守’点。
• 通过关系式 $\cos^2\theta \gtrsim \mu$ 推导出信号强度约束，其中 $\mu = 1.06 \pm 0.06$ 来自ATLAS，对应于95%置信水平下 $|\sin\theta| \lesssim 0.24$。
• 利用更新的标准模型参数计算W玻色子质量修正，得到 $m_W^{\text{SM}} = 80.356$ GeV，与实验值 $m_W^{\text{exp}} = 80.379 \pm 0.012$ GeV 相比，产生约 $1.9\sigma$ 的张力。
• 未来对撞机的灵敏度预测假设信号强度精度分别为5%、1%和0.1%，对应于95%置信水平下 $|\sin\theta| = 0.32$、$0.14$ 和 $0.04$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单重态标量模型参数空间中，哪些区域支持在理论模糊性下依然稳健的强一阶电弱相变？
• RQ2 当前125 GeV Higgs玻色子的信号强度测量在多大程度上约束了SM类Higgs与新标量态之间的混合角？
• RQ3 观测到的W玻色子质量 $1.9\sigma$ 偏差在多大程度上可作为该标量单重态模型中新物理的探测工具？
• RQ4 未来对撞机对Higgs信号强度的高精度测量将在多大程度上改善对SFO-EWPT模型中混合角和标量质量的约束？
• RQ5 直接搜寻（通过HiggsBounds）、微扰性与精确可观测量之间在约束可行SFO-EWPT区域时的相互作用如何？

主要发现

• 扫描中识别出的‘极度保守’参数点表现出在规范参数和重整化尺度变化下均稳定的强一阶电弱相变。
• 当前信号强度测量将混合角约束在 $|\sin\theta| \lesssim 0.24$（95%置信水平），对应于 $\cos^2\theta \gtrsim 0.94$。
• 当前SM预测与W玻色子质量实验值之间的 $1.9\sigma$ 偏差提供了强有力的约束，其中重标量态的一阶修正对 $m_W$ 有负向贡献。
• 未来对撞机若能实现Higgs信号强度 $0.1\%$ 的精度，可探测到小至 $|\sin\theta| = 0.04$ 的混合角，显著提升对小混合情形的探测灵敏度。
• 满足SFO-EWPT条件但被直接搜寻排除的点在参数空间中以黄色标示，而10 TeV处的非微扰点以蓝色标示，凸显了微扰性和直接搜寻的作用。
• 该模型仅在第二标量不致过重且混合较小时保持可行，因为更重的标量会加剧W玻色子质量张力，并受到直接搜寻的严格限制。