[论文解读] Status of the two-Higgs-doublet model in light of the CDF $m_W$ measurement

Soojin Lee, Kingman Cheung+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文研究了CDF合作组精确测量的 $m_W$ 值（与标准模型预测存在 $7\sigma$ 偏差）对双 Higgs 双生模型（2HDM）的影响。利用从新 $m_W$ 值推导出的斜率参数 $S$ 和 $T$，该研究对 2HDM 的参数空间施加了严格约束，发现在正常情形下 $M_{H,A,H^\pm} \lesssim 1.1\,\text{TeV}$，在反转情形下 $M_{H^\pm} \lesssim 450\,\text{GeV}$，$M_A \lesssim 420\,\text{GeV}$，且反转情形中的类型 II 和 Y 模型被完全排除。

ABSTRACT

The most recent $W$-boson mass measurement by the CDF collaboration with a substantially reduced uncertainty indicates a significant deviation from the standard model prediction, as large as $7σ$ if taken literally. Then the Peskin-Takeuchi parameters of $S$ and $T$ shift to larger values, which has profound consequences in searching for physics beyond the SM. In the framework of two-Higgs-doublet models, we study the effect of the new $W$-boson mass measurement on the parameter space. Combined with other constraints including theoretical requirements, flavor-changing neutral currents in $B$ physics, the cutoff scale above 1 TeV, Higgs precision data, and direct collider search limits from the LEP, Tevatron, and LHC experiments, we find upper bounds on the masses of the heavy Higgs bosons: $M_{H, A, H^\pm} \lesssim 1.1$ TeV in type I, II, X, and Y for the normal Higgs scenario; $M_{H^\pm} \lesssim 450 $ GeV and $M_{A} \lesssim 420 $ GeV in type I and X for the inverted scenario where the heavier $CP$-even Higgs boson is the observed one. Another important finding is that type II and type Y in the inverted scenario are completely excluded. Such unprecedented findings imply that the upcoming LHC run can readily close out a large portion of the still-available parameter space.

研究动机与目标

• 评估双 Higgs 双生模型（2HDM）在 CDF $m_W$ 测量结果（与标准模型预测存在 $7\sigma$ 偏差）背景下的可行性。
• 确定从新 $m_W$ 值推导出的更新斜率参数 $S$ 和 $T$ 如何影响 2HDM 的允许参数空间。
• 应用全面的约束条件，包括味改变的中性流、Higgs 精度测量数据、对撞机搜索极限、幺正性、真空稳定性，以及高于 1 TeV 的截断尺度。
• 在所有四种 2HDM 类型（I、II、X、Y）中比较正常与反转 Higgs 情形，识别在新数据下仍可行的模型。

提出的方法

• 本研究采用 Peskin-Takeuchi 斜率参数 $S$ 和 $T$ 作为全局拟合框架，由于八维算符贡献可忽略，设 $U=0$。
• 从 CDF 的 $m_W$ 测量中推导出更新的 $S = 0.15 \pm 0.08$ 和 $T = 0.27 \pm 0.06$，并用于约束 2HDM 的参数空间。
• 对 16 种 2HDM 类型与 Higgs 情形（正常/反转）的组合进行系统扫描，整合了幺正性、微扰性与真空稳定性等理论约束。
• 应用来自 $B$ 物理的味约束、LEP、Tevatron 和 LHC 的直接对撞机极限，以及截断尺度 $\Lambda_c > 1\,\text{TeV}$，以筛选可行的参数点。
• 通过比较应用 CDF $m_W$ 约束前后参数点的存活率，揭示了对新物理的更强限制。
• 最终结果以 $t_\beta$ 与 $|s_{\beta-\alpha}|$ 平面图形式呈现，针对反转情形中的类型 I 和 X，展示相关性与允许范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 CDF 的 $m_W$ 测量中推导出的更新斜率参数 $S$ 和 $T$ 如何约束双 Higgs 双生模型的参数空间？
• RQ2 在 2HDM 的正常与反转 Higgs 情形下，重 Higgs 玻色子 $H$、$A$ 与 $H^\pm$ 的质量上限是多少？
• RQ3 在新 $m_W$ 测量下，哪些 2HDM 类型（I、II、X、Y）仍可行，哪些被排除？
• RQ4 在新数据条件下，$\tan\beta$ 参数在正常与反转情形下的约束如何？
• RQ5 将截断尺度 $\Lambda_c$ 提高到 1 TeV 以上对 2HDM 参数空间的可行性有何影响？

主要发现

• 在所有类型（I、II、X、Y）的正常 Higgs 情形下，重 Higgs 玻色子的质量上限为 $M_{H,A,H^\pm} \lesssim 1.1\,\text{TeV}$。
• 在反转 Higgs 情形下，类型 I 和 X 的质量上限为 $M_{H^\pm} \lesssim 450\,\text{GeV}$ 与 $M_A \lesssim 420\,\text{GeV}$。
• 类型 II 和类型 Y 在反转 Higgs 情形中被所有约束（包括新的 $m_W$ 测量）完全排除。
• 在正常情形下，$\tan\beta$ 参数有上界：类型 I 为 $\tan\beta \lesssim 45$，类型 II 为 $8$，类型 X 为 $43$，类型 Y 为 $17$。
• 在反转情形下，类型 I 和 X 的 $\tan\beta$ 未受约束，但在允许的参数空间内保持无界。
• 将截断尺度 $\Lambda_c$ 提高到 1 TeV 以上将进一步限制 2HDM 的可行参数空间。