[論文レビュー] Explanation of the $W$ mass shift at CDF II in the Georgi-Machacek Model

Ting-Kuo Chen, Cheng-Wei Chiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、CDF IIが観測した$W$ボソン質量の異常を説明するため、カスティドナル対称性の破れ項をスカラー結合に含むGeorgi-Machacekモデルの最小限の拡張を提案する。アイソスピン三重項スカラー場の非整合な真空期待値（VEVs）を許容することで、測定された$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeVが7σのレベルで再現される放射修飾的整合なフレームワークが達成され、$v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeVであるため、パラメータ空間の大部分で$\kappa_W > \kappa_Z$が予測される。

ABSTRACT

The CDF II experiment has recently determined the mass of the $W$ boson to be $m_W( ext{CDF II}) = 80.4335 \pm 0.0094~$GeV, which deviates from the standard model prediction at $7σ$ level. Although this new result is in tension with other experiments such as those at LHC and LEP, it is worth discussing possible implications on new physics by this anomaly. We show that this large discrepancy can be explained by non-aligned vacuum expectation values of isospin triplet scalar fields in the Georgi-Machacek model extended with custodial symmetry breaking terms in the potential. The latter is required to avoid an undesirable Nambu-Goldstone boson as well as to be consistent treatment of radiative corrections. With $m_W( ext{CDF II})$ as one of the renormalization inputs at the 1-loop level, we derive the required difference in the triplet vacuum expectation values, followed by a discussion of phenomenological consequences in the scenario.

研究の動機と目的

• CDF IIによる$W$ボソン質量の測定値$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeVと標準模型予測値$m_W = 80.357 \pm 0.006$ GeVとの間の7σの不一致を解消すること。
• スカラー結合にカスティドナル対称性の破れ項を導入することで、物理的でないNambu-Goldstoneモードを回避する理論的に整合したフレームワークを提供すること。
• 測定された$W$ボソン質量のずれを扱える一貫性のある放射修正の取り扱いを可能にすること。
• 拡張Georgi-Machacekモデルにおける非整合な三重項VEVsの物性的影響、特にゲージおよびフェルミオン結合への影響を調査すること。

提案手法

• 実数および複素アイソスピン三重項場の非整合な真空期待値（VEVs）を許容するために、スカラー結合にカスティドナル対称性の破れ項を導入することでGeorgi-Machacekモデルを拡張する。
• 測定された$W$ボソン質量を1ループレベルでの正規化入力として設定し、三重項VEVsの差に必要な値を決定する。
• 測定された$m_W$から、観測された異常を再現するために$v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeVという条件を導出する。
• パラメータスキャンを$v_\chi$について実施し、$\kappa_f$、$\kappa_W$、$\kappa_Z$およびチャージドヒッグスボソンの崩壊断面積の物性的結果を調査する。
• $\rho$パラメータへの影響を分析し、放射修正を介して電弱精度観測量と整合することを確認する。
• 予測された$\kappa_f$および$\kappa_{\gamma}$をATLAS測定値と比較し、既存データと整合するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カスティドナル対称性の破れ項を含むGeorgi-Machacekモデルの最小限の拡張によって、理論的整合性を保ちつつCDF IIの$W$ボソン質量異常を説明できるか？
• RQ2 測定された$m_W$を再現するため、実数および複素アイソスピン三重項ヒッグス場の真空期待値の差はどの程度必要か？
• RQ3 非整合な三重項VEVsは、モデルにおける$\rho$パラメータおよび$W$および$Z$ボソン結合にどのように影響を与えるか？
• RQ4 拡張モデルにおける$\kappa_f$、$\kappa_W$、$\kappa_Z$の物性的影響は何か？
• RQ5 モデルはATLASによる$\kappa_f$および$\kappa_{\gamma}$測定と整合しつつ、$\kappa_W > \kappa_Z$を予測できるか？

主な発見

• 測定されたCDF IIの$W$ボソン質量を再現するため、三重項の真空期待値の差は$v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeVである必要がある。
• モデルはパラメータ空間の大部分で$\kappa_W > \kappa_Z$を予測するが、これは元来のGeorgi-Machacekモデルにない特徴である。
• $\kappa_f$は1を超える可能性があり、スキャンにおける赤色領域（$v_\chi \in [5,50]$ GeV）では$\kappa_f \sim 0.25$から$\gtrsim 1.00$の範囲をカバーし、ATLASデータと整合的である。
• モデルは$\kappa_{Z\gamma} \in (0.95, 1.15)$を予測するが、これはATLAS測定値$1.43^{+0.31}_{-0.38}$と矛盾しており、潜在的な不一致を示唆する。
• $H_1^\pm$および$H_2^\pm$の$tb$および$WZ$最終状態への崩壊断面積が支配的になる可能性があり、LHCにおける発見チャンネルとしての可能性を示唆する。
• カスティドナル対称性の破れ項を導入することで、物理的でないNambu-Goldstoneモードを回避し、放射修正に整合した理論的フレームワークを確保する。