[論文レビュー] Interpreting the $W$-mass anomaly in the vectorlike quark models

Junjie Cao, Lei Meng+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、CDF共同研究が測定したWボソン質量の7σのずれを説明するため、標準模型の7つのベクトル型クォーク（VLQ）拡張を調査する。3つのVLQモデルが、斜めパラメータ、LHC探索、トップおよびヒッグスボソンの測定、摂動論的制約を満たしつつ、この異常を一貫して説明可能であることが判明した。Yukawa結合は1に近く、標準模型におけるトップクォークのYukawa結合と同等である。

ABSTRACT

The new measurement of $W$-boson mass by the CDF collaboration revealed a remarkable $7σ$ disagreement with the Standard Model (SM) prediction. If confirmed by other experiments, then the disagreement strongly indicates the existence of new physics beyond the SM. In this work, seven vectorlike quark (VLQ) extensions of the SM are investigated to interpret the anomaly, and it is found that three can explain the anomaly in broad parameter space. The explanations are consistent with the constraints from oblique parameters, the LHC search for VLQs, the measurements of the properties for the top quark, bottom quark, and Higgs boson, and the perturbativity criterion. The typical size of the involved Yukawa coupling is around 1, which is comparable to the top quark Yukawa coupling in the SM. The other extensions, however, either predict a negative correction to the mass in reasonable parameter space or explain the anomaly by unnatural theoretical input parameters.

研究の動機と目的

• CDF共同研究が測定したWボソン質量の7σのずれを、標準模型の予測を上回る理由を説明すること。
• 標準模型のベクトル型クォーク（VLQ）拡張が、既存の実験的制約に反しない範囲でこの異常を説明できるかどうかを評価すること。
• 斜めパラメータ、LHC探索、トップおよびヒッグスボソンの測定、摂動論的制約と整合する実現可能なVLQモデルを同定すること。
• 提案されたモデルにおけるYukawa結合の自然性を評価すること。

提案手法

• 標準模型の7種類の異なるベクトル型クォーク（VLQ）拡張を体系的に分析する。
• VLQが引き起こす1ループ量子補正を用いて、Wボソン質量への補正を計算する。
• 斜めパラメータ（S, T）からの制約を適用し、物理的でない電弱精度補正を示すモデルを除外する。
• LHCによるVLQ、トップクォーク、ボトムクォーク、ヒッグスボソンの性質の探索結果と照合し、モデルの妥当性を検証する。
• 摂動論的制約を課し、Yukawa結合が摂動論的限界内に保たれることを保証する。
• 特に1に近い値をとるYukawa結合の自然性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのベクトル型クォークモデルが、現在の実験的制約に整合しつつ、7σのWボソン質量異常を説明できるか？
• RQ2 妥当なモデルは、観測されたWボソン質量補正を生成するために、不自然または微調整されたパrameter値を必要とするか？
• RQ3 妥当なモデルにおけるYukawa結合の典型的な大きさはどの程度か？また、標準模型におけるトップクォークのYukawa結合と比べてどうか？
• RQ4 妥当なパラメータ領域で、Wボソン質量に負の補正を引き起こさずに異常を説明できるか？
• RQ5 Wボソン質量補正が大きすぎる、もしくは斜めパラメータ制約と整合しないVLQモデルは存在するか？

主な発見

• 3つのベクトル型クォークモデルが、斜めパラメータの制約を満たしつつ、Wボソン質量の異常を成功裏に説明できる。
• 妥当なモデルはYukawa結合が約1を予測しており、これは標準模型におけるトップクォークのYukawa結合と同等である。
• これらのモデルは、観測されたWボソン質量補正を生成するために、不自然または微調整された入力パrameterを必要としない。
• 残りの4つのVLQモデルは、物理的に許容されるパラメータ領域で負の補正を予測するか、異常を説明するために不自然なパrameter値を必要とする。
• すべての妥当なモデルが摂動論的制約を満たしており、理論が摂動論的領域内に保たれていることが保証されている。
• これらのモデルは、LHCによるVLQ探索およびトップクォーク、ボトムクォーク、ヒッグスボソンの性質の測定結果とも整合している。