[論文レビュー] New physics interpretation of $W$-boson mass anomaly

Motoi Endo, Satoshi Mishima|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、標準模型（SM）から7σ以上ずれる観測された$W$ボソン質量の異常—これはフェルミ結合定数$G_F$に新しい物理が影響を与えている可能性を示唆している。スカラー、フェルミオン、またはベクトル粒子（レプトンと結合する）の単一場の拡張を導入することで、著者らは四フェルミオン作用素$\mathcal{O}_{\ell\ell}$または$\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$への新しい物理の寄与が$G_F$をシフトさせ、その結果$M_W$を変更することを示している。主な結果は、$\mathcal{O}_{\ell\ell}$のための$\sim 0.02{-}0.03\,\mathrm{TeV}^{-2}$のウィルソン係数、または$\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$のための$-(0.01{-}0.03)\,\mathrm{TeV}^{-2}$の係数が、特に数TeVの新規粒子と1に近い結合定数を伴う場合、$W$ボソン質量の不一致を緩和できることである。

ABSTRACT

The CDF collaboration has recently reported an updated result on the $W$-boson mass measurement, showing a $7σ$ deviation from the standard model prediction. The discrepancy may indicate new contributions to the Fermi coupling constant. We study simple extensions of the standard model by introducing an extra scalar, fermion or vector field. It is found that the tension implies the new physics existing in multi-TeV scales if the new coupling to the electron and/or muon is of order unity.

研究の動機と目的

• 観測された$W$ボソン質量の異常（SM予測から$\sim$7σのずれ）を、フェルミ結合定数$G_F$に影響を与える新しい物理によって説明すること。
• スカラー、フェルミオン、ベクトルの単一場のSM拡張が、高次元SMEFT作用素を通じて$G_F$をどのように変更できるかを調査すること。
• フレーバー不変およびフレーバー非不変の結合定数が$W$ボソン質量および電弱精度観測量に与える影響を評価すること。
• LHCや将来のFCC-eeのような加速器で、このような新しい物理が検出可能かどうかを評価し、特に多レプトンおよび共鳴状態の署名に注目すること。
• 共通の新しい物理セクターを通じて、$W$ボソン質量の異常とミュオン$g-2$の不一致を結びつけること。

提案手法

• 電弱スケールより高いスケールでの新しい物理を次元6の作用素によって記述する、標準模型効果的場理論（SMEFT）に基づく形式的アプローチ。
• 重要なSMEFT作用素の特定：$\mathcal{O}_{\ell\ell} = (\bar{\ell}_i\gamma_\mu\ell_j)(\bar{\ell}_k\gamma^\mu\ell_l)$および$\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)} = (\phi^\dagger i\overset{\leftrightarrow}{D_\mu^a}\phi)(\bar{\ell}_i\gamma^\mu\sigma^a\ell_j)$で、これらは$G_F$を変更し、結果として$M_W$を変化させる。
• 次元のないウィルソン係数$\widehat{C}_i = v^2 C_i$の定義（$v$はヒッグス真空期待値）により、新しい物理の効果を$G_F$の測定可能なシフトに結びつける。
• $\delta_{G_F} = (\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)})_{11} + (\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)})_{22} - (\widehat{C}_{\ell\ell})_{1221}$の計算により、$G_F$のシフトを定量化する。
• 電弱精度観測量（EWPO）のフィット、特に$M_W$を含む、新しい物理モデルの許容されるパラメータ空間を制約すること。
• 加速器の到達可能性の評価：$pp \to S,V \to \ell\ell$の共鳴状態探索および、LHCおよび将来の加速器における$pp \to E \to \ell\ell$の多レプトン署名。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $W$ボソン質量の異常は、フェルミ結合定数$G_F$への新しい物理の寄与によって説明可能か？
• RQ2 スカラー、フェルミオン、ベクトルの単一場のSM拡張の中で、$M_W$の不一致を解消するのに必要な$G_F$のシフトを生成できるのはどれか？
• RQ3 フレーバー非不変の結合定数は、フレーバー不変のシナリオと比較して、$W$ボソン質量および電弱精度観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ4 $M_W$の緊張を緩和しつつ、既存の実験的制約を満たすために、どの質量および結合定数スケールの新規粒子が妥当か？
• RQ5 $W$ボソン質量の異常を説明する同じ新しい物理セクターが、ミュオン$g-2$の異常を説明できるか？

主な発見

• 四フェルミオン作用素$\mathcal{O}_{\ell\ell}$への新しい物理の寄与により、$W$ボソン質量の異常を緩和可能であり、必要なウィルソン係数は$\sim 0.02{-}0.03\,\mathrm{TeV}^{-2}$である。
• $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$作用素（追加のレプトンやベクトルボソンによって誘導）も異常を説明可能であり、$(11)$および$(22)$成分に対して$\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)} \sim -(0.01{-}0.03)\,\mathrm{TeV}^{-2}$が必要である。
• 質量$M_E = 1\,\mathrm{TeV}$の新しいレプトン$E$に対しては、異常を解消するための必要結合定数$\lambda_E$は$\sim 0.1{-}0.3$である。
• $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$のレプトンフレーバー不変寄与は、検討されたシナリオの中で$M_W$の不一致に最も良いフィットを提供する。
• 数TeVのスケールの新しいスカラーおよびベクトルボソンが、SMのクォークと結合する場合、$pp \to S,V \to \ell\ell$の共鳴状態探索によって発見可能である可能性がある。
• 質量$M_E \gtrsim 1\,\mathrm{TeV}$の追加レプトンは、LHCラン2で既に制約を受けているが、将来のHL-LHCおよび高エネルギー加速器が、数TeVスケールを探索可能である。