[論文レビュー] $W$-Boson Mass, Electroweak Precision Tests and SMEFT

JiJi Fan, Lingfeng Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、電弱精度測定（EWPT）に基づく標準模型予測から7σずれているCDFによるWボソン質量測定を調査する。SMEFTフレームワークを用いて、$\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ という次元6のオペレーターが$ m_W $のずれの主な原因であると特定し、その係数が $ c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01 $ である必要がある。これは、木レベルの効果では複数TeVスケール、ループレベルの効果ではサブTeVスケールに新物理が存在することを示唆する。

ABSTRACT

Recently the CDF collaboration at the Tevatron reported a significant discrepancy between the direct measurement of the $W$-boson mass and its Standard Model (SM) prediction based on electroweak precision tests (EWPTs). In this paper we explore the potential origin of this discrepancy from physics beyond the SM. Explicitly, we work on a set of six-dimensional operators in the SM effective field theory (SMEFT) which are relevant to the EWPTs. By fitting to the data, we demonstrate that an upward shift in $m_W$ is driven by the operator $\mathcal{O}_{T}=\frac{1}{2}(H^{\dagger}\overset{ ext{$\leftrightarrow$}}{D}_μH)^2$ with a coefficient $c_T ({ m TeV}/Λ)^2 \gtrsim 0.01$. This suggests that the new physics scale favored by the CDF data should be multiple TeV for tree-level effects and sub TeV for loop-level effects. One simple example is to introduce a hypercharge-free electroweak triplet scalar which can raise the $c_T$ value at tree level. We also study the potential to further test the relevant SMEFT by measuring Higgs-coupling, $m_W$ and other EWPTs at future circular $e^-e^+$ colliders.

研究の動機と目的

• CDFによる$ m_W $の直接測定と、電弱精度測定（EWPT）から得られる標準模型予測との間の7σの不一致の原因を調査すること。
• この不一致が、SMEFTフレームワーク内での標準模型を超える物理（BSM）によって説明可能かどうかを検討すること。
• 他の電弱精度観測量（EWPO）に悪影響を及げない範囲で、$ m_W $の顕著な上昇を引き起こすSMEFTの次元6オペレーターを同定すること。
• 将来の$ e^{-}e^{+} $衝突型加速器（FCC-ee、CEPCなど）が、提案されたSMEFTオペレーターをテストし、新物理スケールを制約する可能性を評価すること。

提案手法

• 研究は、電弱精度観測量に関連する部分集合に焦点を当てた、モデルに依存しないSMEFTアプローチを採用した。
• $ m_W $、$ R_b $、$ R_\ell $、$ A_f $、$ \Gamma_{\text{had}} $、$ \Gamma_{h\to\gamma\gamma} $ を含むEWPTデータのグローバルフィットを実施し、ウィルソン係数を制約した。
• 現在および将来の実験的不確実性を組み込んだベイズフレームワークを用いて、ウィルソン係数のマージナル化された後確率分布を計算した。
• 将来の$ e^{-}e^{+} $衝突型加速器（FCC-ee、CEPC）の感度を評価するにあたり、現在の測定値と整合する将来の中央値を仮定した。
• 分析により、$\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ が$ m_W $のずれの主な原因であると特定され、その係数$ c_T $は$ c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01 $ に制約された。
• このオペレーターの簡単な実現は電弱トリプレットスカラー（hyperchargeゼロ）であり、これは木レベルで$ m_W $のずれを引き起こす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのSMEFT次元6オペレーターが、他の電弱精度観測量と矛盾しない範囲で、CDF測定で観測された$ m_W $の過剰を説明できるか？
• RQ2 オペレーター$\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ のウィルソン係数$ c_T $は、$ m_W $の不一致を説明するためにどの程度の大きさである必要があるか？
• RQ3 木レベルとループレベルの寄与の両方において、$ m_W $のずれに寄与する新物理スケール$ \Lambda $ はそれぞれどのように示唆されるか？
• RQ4 FCC-eeのような将来の$ e^{-}e^{+} $衝突型加速器は、特に$ c_T $と$ c_{WB} $にどの程度感度を持つのか？
• RQ5 ヒッグス粒子の崩壊$ h \to \gamma\gamma $ は、$ m_W $異常を説明するためのSMEFT解釈を決定的にテストできるか？

主な発見

• $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ が$ m_W $のずれの主な原因であると特定され、CDFの結果を説明するには係数$ c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01 $ が必要である。
• この係数は、UV完成化の仕方によっては、木レベル効果では複数TeVスケール、ループレベル効果ではサブTeVスケールに新物理が存在することを示唆する。
• 電弱トリプレットスカラー（hyperchargeゼロ）は、このオペレーターの明確な実現であり、$ m_W $の木レベルずれを生成すると同時に$ c_{WB} $の補正を抑制する。
• ヒッグス崩壊幅$ \Gamma_{h\to\gamma\gamma} $ は、$ c_{WB} \sim \mathcal{O}(0.01) $ のため最大で10%のずれを示すと予測され、HL-LHCの精度範囲内にある。
• 将来の$ e^{-}e^{+} $衝突型加速器（FCC-ee、CEPC）は、$ |c_{WB}|(\text{TeV}/\Lambda)^2 \lesssim 10^{-3} $ を制約可能であり、$ c_T $のゼロ値からの有意水準10σ以上でテスト可能である。
• FCC-eeおよびCEPC実験は、特に高精度な$ Z $極点および$ WW $閾値測定を通じて、$ m_W $異常を引き起こすSMEFTオペレーターを決定的にテストできると予想される。