[論文レビュー] Right-handed neutrinos and the CDF II anomaly

Mattias Blennow, Pilar Coloma+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、右巻きニュートリノが、PMNS行列の非ユニタリティを引き起こす次元6のオペレータを生成することで、CDF IIのWボソン質量の異常を解消できると提案している。この非ユニタリティは予測される$M_W$を上昇させ、CDF IIの測定値と整合させるが、レプトンのユニタリティや$Z$の非電磁的幅と整合性を保ちつつ、オペレータ係数が制約されていなければ、カビブォ角の異常を悪化させる。

ABSTRACT

We point out that right-handed neutrinos can resolve the tension between the latest CDF II measurement of the $W$-boson mass, $M_W$, and the standard model. Integrating out the new states yields a single $d=6$ operator, which induces a deviation from unitarity in the PMNS matrix. This alters the extraction of the Fermi constant from muon decay and increases the prediction for $M_W$, in line with the CDF II result. Non-unitarity of the PMNS matrix would also affect beta, meson, and tau decays. We find that the CDF II value for $M_W$ can be explained without conflicting with lepton flavour universality constraints or the invisible decay width of the $Z$. However, the so-called Cabibbo angle anomaly is worsened if right-handed neutrinos are the origin of the $d=6$ operator. The situation improves if the operator coefficient is left unconstrained, implying additional sources of new physics, but a common explanation of both anomalies is in tension with universality bounds.

研究の動機と目的

• 右巻きニュートリノが、CDF IIのWボソン質量異常とカビブォ角の異常を同時に説明できるかどうかを調査すること。
• 重い右巻きニュートリノによって誘導される次元6の有効オペレータから生じるPMNS行列要素の非ユニタリティの影響を調査すること。
• レプトンのユニタリティ、$Z$の非電磁的幅、および既存のフレーバー制約との整合性を評価すること。
• 正定値なオペレータ係数を仮定した場合に、両者の異常を共通の説明で説明できるかを同定すること。
• ニュートリノ混合やコライダーのシグネチャを含む、TeVスケールでの新しい物理の意味を評価すること。

提案手法

• 重い右巻きニュートリノを積分して消去することで、$d=6$の有効オペレータ$\mathcal{O}_{d=6} = \bar{\ell}_L \tilde{H} c_{\mathcal{O}} i\not{\partial}(\tilde{H}^\dagger \ell_L)$ を導出する。
• オペレータ係数$c_{\mathcal{O}}$ を、PMNS行列の非ユニタリティを引き起こす行列$\eta = Y_\nu \Lambda^{-2} Y_\nu^\dagger v^2 / 4$ に結びつける。
• ミューオン崩壊および$W$ボソンの自己エネルギー補正を通じて、フェルミ定数$G_F$および$M_W$の補正を計算する。
• $M_W$、$V_{ud}$、レプトンのユニタリティ比、$Z$の非電磁的幅を用いたグローバルフィットを行い、$\eta_{ee}$と$\eta_{\mu\mu}$を変化させる。
• CDF IIの$M_W$測定値およびカビブォ異常を含む・含まないシナリオにおける$\chi^2$のフィット度と$p$-値を評価する。
• 両者の異常を共通の説明で説明しようとする試みと、$\eta$が最小限のシーイズUV完備化のために正定値である必要があるという要件との間の緊張を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右巻きニュートリノは、$M_W = 80.423 \pm 0.031$ GeVというCDF IIの測定値を、非ユニタリティPMNS行列効果によって説明できるか？
• RQ2 右巻きニュートリノから誘導される$ d=6 $オペレータは、予測される$M_W$に顕著なシフトを引き起こし、CDF IIとの緊張を軽減するか？
• RQ3 得られた非ユニタリティは、$K$および$B$崩壊からのレプトンのユニタリティ制約および$Z$の非電磁的幅と整合性を保っているか？
• RQ4 同じ$d=6$オペレータが、カビブォ角の異常を同時に解消できるか？もしできないなら、なぜ悪化させるのか？
• RQ5 オペレータ係数が不定に許容される場合、両者の異常を解消するために、モデルのUV完備化にどのような意味が生じるか？

主な発見

• 右巻きニュートリノの導入により、$d=6$オペレータが生成され、PMNS行列の非ユニタリティを引き起こし、予測される$M_W$がCDF IIの測定値と整合するよう上昇する。
• CDF IIの$M_W$異常のみを説明する最良のシナリオでは、$\chi^2/n_{\rm dof} = 3.3/2$であり、標準模型（SM）とは$6.8\sigma$の有意差がある。
• モデルは$\eta_{ee} \sim \eta_{\mu\mu} \sim 3 \times 10^{-3}$を予測し、これは重いニュートリノと$\nu_e$、$\nu_\mu$との間で$\sim 0.07$の混合に対応する。
• Yukawa結合が$\mathcal{O}(1)$の場合、重いニュートリノの質量はTeVスケールに推定され、将来のコライダー探索で到達可能である。
• $M_W$およびカビブォ異常を共通の説明で説明することは、オペレータ係数が不定に許容されない限り、レプトンのユニタリティと矛盾する。これはより複雑なUV完備化を必要とする。
• すべてのデータを含むグローバルフィットでは、$\chi^2/n_{\rm dof} = 40.1/7$であり、$p$-値は$1.3 \times 10^{-6}$に相当し、異常と標準模型との間に顕著な緊張があることを示している。