[论文解读] The 2HD+a model for a combined explanation of the possible excesses in the CDF $\mathbf{M_W}$ measurement and $\mathbf{(g-2)_μ}$ with Dark Matter

Giorgio Arcadi, A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

该论文提出2HD+a模型——在两Higgs双峰模型基础上增加一个轻量赝标量Higgs玻色子和一个稳定单重态费米子，以同时解释CDF实验中W玻色子质量（$M_W$）的异常以及μ子$g-2$异常，同时提供一个可行的暗物质候选者。该模型通过引入重Higgs态之间的质量非简并性，修正了$\rho$参数，并在不违背其他精确约束或暗物质现象学的前提下重现了CDF的$M_W$测量结果。

ABSTRACT

The new measurement of the $W$ boson mass performed by the CDF experiment at the Tevatron shows a significant deviation not only with the expectation in the Standard Model but also with other precision measurements performed at LEP, the Tevatron and the LHC. We nevertheless take this new measurement at face value and interpret it as an effect of new physics. We particularly try to link it with other possible anomalies such as the recent muon $g-2$ and consider a scenario that addresses some shortcomings of the Standard Model. We show that a model with two doublets and a light pseudoscalar Higgs fields, supplemented by a stable isosinglet fermion, can simultaneously explain the possible $M_W$ and $(g-2)_μ$ anomalies and accounts for the weakly interacting massive particle that could be responsible of the dark matter in the universe.

研究动机与目标

• 为了通过新物理解释CDF实验中偏离标准模型约~7σ的$M_W$测量结果，使其与理论预期一致。
• 为了在统一框架内解释μ子反常磁矩$(g-2)_\mu$的4.2σ偏差。
• 为了提供一个与宇宙学密度以及直接/间接探测约束一致的可行弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者。
• 通过放松重Higgs态简并的假设，扩展2HDM+轻赝标量模型，允许对$\rho$参数进行修正，从而影响$M_W$。
• 确保与$B$-介子衰变、LHC Higgs搜索以及电弱精确数据的现有约束相容。

提出的方法

• 该模型通过在标准模型Higgs规范中增加两个Higgs双峰和一个轻量赝标量$a$玻色子，增强其与μ子的耦合。
• 引入一个稳定的SU(2)单重态费米子$\chi$作为暗物质候选者，其质量与耦合受直接和间接探测限制。
• 通过非简并的重Higgs态（$H$、$A$、$H^\pm$）引起的$\Delta\rho$修正来计算$\rho$参数的修正，从而影响$M_W$。
• 使用$T$参数量化$\rho$-参数的修正，要求$T \in [0.16, 0.21]$以匹配CDF的$M_W$值。
• 利用$S,T,U$形式化方法测试模型的可行性，约束条件包括$b\to s\mu^+\mu^-$、$b\to s\gamma$和LHC Higgs搜索。
• 生成满足所有约束的基准点，包括$\Delta a_\mu$在1σ水平和$M_W$与CDF值一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 2HD+a模型能否在不违反现有约束的前提下，同时解释CDF的$M_W$过剩和μ子$(g-2)_\mu$异常？
• RQ2 重Higgs态（$H$、$A$、$H^\pm$）之间的质量非简并性如何影响$\rho$参数和$M_W$？
• RQ3 轻量赝标量$a$在增强μ子耦合的同时，如何与对撞机和天体物理限制保持一致？
• RQ4 该模型能否提供一个稳定、弱相互作用的暗物质候选者，与观测到的遗迹密度和探测约束相容？
• RQ5 在什么参数空间内，$T$参数的修正范围为$[0.16, 0.21]$，可重现CDF的$M_W$测量结果？

主要发现

• 该模型通过重Higgs区质量非简并性诱导的$\Delta\rho$修正，重现了CDF的$M_W$值$80.4335 \pm 0.0094~{\rm GeV}$。
• 为匹配CDF的$M_W$测量结果，需要$T$参数在$[0.16, 0.21]$范围内，与$S,T,U$形式化一致。
• 该模型在1σ水平内解释了$(g-2)_\mu$异常，$\Delta a_\mu \approx 10^{-11}$，同时满足来自$b\to s\mu^+\mu^-$和$b\to s\gamma$衰变的约束。
• 暗物质候选者$\chi$稳定且满足直接与间接探测限制，其质量范围为$100-1000~{\rm GeV}$，与$a$玻色子质量差约100 GeV。
• 该模型保持微扰性和幺正性，由于$a$-$A$混合的幺正性约束，$M_A \lesssim 1.4~{\rm TeV}$。
• 在$T$-$\Delta a_\mu$平面上存在非零重叠区域，表明该模型可同时解释两项异常。