[論文レビュー] New $W$-Boson mass in the light of doubly warped braneworld model

Basabendu Barman, Ashmita Das+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、最近 CDF コラボレーションが測定した $W$-ボソン質量の過剰分（標準模型予測から 76 MeV 大きい）を、6次元の二重に歪んだブレーンワールドモデル内で説明できると提唱している。すべての標準模型場をバルクに配置し、二つの歪みスケールを用いることで、可視ブレーン上でのバルク $W$ ボソンの最低励起状態が、観測された $80,433.5 \pm 9.4$ MeV の質量を自然に実現する。このモデルは、中間エネルギー スケールを導入することなく、ゲージ階層問題の解決を維持する。

ABSTRACT

The recent observation by CDF collaboration has disclosed a modification in the mass of the $W$ boson. In this regard we show that this modification in the mass of the $W$ boson can be well explained in the background of a 6-dimensional warped geometry model, where the double warping is associated with the two extra spatial dimensions. We consider that all the Standard Model fields are residing in the bulk, where the bulk Higgs field gives rise to the spontaneous symmetry breaking in the 6-dimensional spacetime. Allowing a little hierarchy between the two moduli we exactly obtain the observed mass for the $W$ boson, which is identified as the lowest lying Kaluza-Klein mass mode of the bulk $W$ boson on the $(3+1)$ dimensional visible brane. The essential feature of the 5-dimensional Randall-Sundrum scenario such as the resolution of the gauge hierarchy problem without introducing any intermediate scale between the Planck and the TeV scale, remains intact.

研究の動機と目的

• CDF コラボレーションが測定した $W$-ボソン質量の $76$ MeV の過剰分（標準模型予測から $7\sigma$ 離れている）を説明すること。
• プランクスケールとテヴスケールの間の途中スケールを導入せずに、2つの追加次元を持つ6次元の歪んだ幾何学モデルが、観測された $W$-ボソン質量を自然に生成できるかどうかを調査すること。
• 可視ブレーン上での歪み因子によって階層問題が解決されることを保ちつつ、精密電弱制約とテバトロンの制約と両立すること。
• 特にモジュール比の調整によって、微調整を必要とせず、観測された $W$-ボソン質量を正確に再現できるかどうかを示すこと。

提案手法

• 平坦な $(3+1)$ 次元ブレーンを有する6次元の二重に歪んだ幾何学モデルを用い、ランディンソン＝サンズの設定を2つの追加次元に拡張する。
• ヒッグス場を含むすべての標準模型場をバルクに配置することで、6次元時空内での自発的対称性の破れを可能にする。
• カーラーツァ＝ケイリンの還元を用いて $W$ ボソンの質量スペクトルを計算し、最低励起状態のKKモードが可視ブレーン上での物理的 $W$ ボソンとして識別する。
• 観測された $W$-ボソン質量を再現するために、二つのモジュールパラメータ（$k \sim 0.25$ および $R_y / r_z \sim \mathcal{O}(10)$）を調整する。
• Bhaumik と SenGupta (2022) のように、6次元におけるゴールダーバーガー＝ワインスタイリゼーション機構を用いて、二つのモジュールを不自然な微調整なしに安定化させる。
• 同じパラメータセットのもとで、得られたゲージ結合定数、KK質量、精密電弱制約が満たされることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルクに標準模型場を置いた6次元の二重に歪んだブレーンワールドモデルは、CDF II が測定した $W$-ボソン質量 $80,433.5 \pm 9.4$ MeV を再現できるか？
• RQ2 このモデルは、可視ブレーン上での歪み因子が $\sim 10^{-16}$ であることで、中間スケールを導入せずに階層問題の解決を維持できるか？
• RQ3 このモデルは、KK状態に関する精密電弱制約とテバトロンの制約を満たしながら、標準模型予測より $\sim 76$ MeV 大きい $W$-ボソン質量を生成できるか？
• RQ4 6次元幾何学における二つのモジュール間の制御された階層によって、微調整を必要とせず、観測された $W$-ボソン質量を達成できるか？

主な発見

• 6次元の二重に歪んだモデルにおけるバルク $W$ ボソンの最低励起状態のKKモードは、CDF II が測定した $80,433.5 \pm 9.4$ MeV の質量を、実験的不確実性の範囲内で正確に再現する。
• この結果は、可視ブレーン上での歪み因子が $\sim 10^{-16}$ であることで達成され、中間エネルギー スケールを導入せずに階層問題の解決が維持される。
• 二つのモジュール間の階層 $R_y / r_z \sim \mathcal{O}(10)$ と $k \sim 0.25$ の組み合わせが、観測された $W$-ボソン質量を生成するのに十分である。
• 同じパラメータセットのもとで、精密電弱制約とテバトロンのKK状態に関する制約が満たされることを、以前に Das ら (2011) が示した通りである。
• 6次元におけるゴールダーバーガー＝ワインスタイリゼーション機構により、モジュールの安定性が微調整なしに保証され、選択されたパラメータ値の妥当性が裏付けられる。
• このフレームワークは高次元へ一般化可能であり、多層歪みの追加次元が $W$-ボソン質量の異常を自然に説明するメカニズムを提供する可能性を示唆している。