[論文レビュー] Explaining the $W$ boson mass anomaly and dark matter with a $U(1)$ dark sector

Kai-Yu Zhang, Wan-Zhe Feng|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、CDF共同研究のWボソン質量における7σの異常を説明し、ダークマター候補を提供する標準模型のU(1)ダークセクター拡張を提案する。U(1)_{A Y + B q}拡張、つまりハイパーチャージとバリオン数の混合対称性を持つモデルは、Wボソン質量に77 MeVの増幅を生じさせることができ、一方、純粋な運動エネルギー混合モデルでは約10 MeVにとどまる。このモデルは、数百年GeVからTeVの範囲にある、実用的なフェルミオン的ダークマター候補を提供する。

ABSTRACT

The $W$ boson mass recently reported by the CDF collaboration shows a deviation from the standard model prediction with an excess at $7σ$ level. We investigate two simple extensions of the standard model with an extra $U(1)$ dark sector. One is the $U(1)_x$ extension, where the $U(1)_x$ gauge field mixes with the standard model through gauge kinetic terms. The other is a general $U(1)_{\mathbf{A} Y+\mathbf{B} q}$ extension of the standard model. Fitting various experimental constraints we find the $U(1)_x$ extension with only kinetic mixing can enhance the $W$ boson mass for at most 10~MeV. While the $U(1)_{\mathbf{A} Y+\mathbf{B} q}$ extension can easily generate 77~MeV enhancement of the $W$ boson mass and also offer a viable dark matter candidate with mass ranging from several hundred GeV to TeV, which may be detected by future dark matter direct detection experiments with improved sensitivities.

研究の動機と目的

• 標準模型の予測とは異なるCDFによるWボソン質量の7σのずれを説明する。
• 宇宙論的残存密度および直接的・間接的検出制約と整合する実用的なダークマター候補を提供する。
• 運動エネルギー混合または一般化されたU(1)対称性を持つU(1)ダークセクターが、Wボソン質量異常の解消とダークマターの提供を同時に可能かどうかを調査する。
• 特にZボソンの崩壊幅制約を含む電弱精度テストの観点から、モデルの妥当性を評価する。
• 現在の実験的制約下で、各モデルが達成可能なWボソン質量増幅の最大値を特定する。

提案手法

• ダークU(1)_xゲージボソンと標準模型のハイパーチャージU(1)_Yとの間の運動エネルギー項による混合を含む、SMのU(1)_x拡張を構築する。
• S、T、Uのオブリクスパラメータ形式を用いて、ダークセクター内の新しい物理の寄与から生じるWボソン質量への補正を計算する。
• 新しいU(1)がハイパーチャージとバリオン数の線形結合である一般化されたU(1)_{A Y + B q}対称性を導入し、強化された混合効果を可能にする。
• 混合角と運動エネルギー混合パラメータを用いて、両モデルにおけるZボソンのSMフェルミオンへの有効カップリングを計算する。
• フェルミオン対へのZボソン崩壊幅を計算し、実験値と比較してモデルを制約する。
• Z'ポータルを通じたSMフェルミオンへの散乱によるダークマターの残存密度を評価し、直接的および間接的検出の制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動エネルギー混合を持つU(1)ダークセクターは、CDFが観測した77 MeVのWボソン質量増幅を説明できるか？
• RQ2 現在の実験的制約下で、純粋な運動エネルギー混合U(1)_xモデルが達成可能なWボソン質量増幅の最大値は何か？
• RQ3 U(1)_{A Y + B q}拡張は、電弱精度観測量と整合しながら77 MeVのWボソン質量シフトを生成できるか？
• RQ4 U(1)_{A Y + B q}モデルは、100 GeV〜TeVの範囲にある実用的なフェルミオン的ダークマター候補を提供するか？
• RQ5 直接的および間接的ダークマター検出制約は、U(1)_{A Y + B q}モデルにおけるダークマター候補の妥当なパラメータ空間にどのように影響するか？

主な発見

• 純粋な運動エネルギー混合U(1)_xモデルは、Wボソン質量を最大で10 MeVまで増幅させることができ、CDFの異常を説明するには不十分である。
• U(1)_{A Y + B q}モデルは、Wボソン質量に77 MeVの増幅を生じさせることができ、CDFの測定値と1σの不確実性内に一致する。
• 両モデルにおけるZボソンの崩壊幅は、実験誤差範囲（±0.0023 GeV）内にあり、0.7〜1.0 MeVのずれにとどまるため、電弱精度データと整合性がある。
• U(1)_{A Y + B q}モデルは、数百年GeVから1 TeVの範囲のフェルミオン的ダークマター候補を提供し、観測された残存密度と整合する。
• U(1)_{A Y + B q}モデルのベンチマーク点は、現在の直接的および間接的ダークマター検出制約を満たしており、今後の実験で検出の可能性がある。
• モデルは電弱精度テストにおいても妥当であり、修正されたZボソンの崩壊幅が実験範囲2.4952 ± 0.0023 GeV内に保たれる。