[論文レビュー] W boson mass in Singlet-Triplet Scotogenic dark matter model

Aditya Batra, ShivaSankar K. A+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、スカラーヒッグスの真空期待値（VEV）が、SU(2)L トリプレット スカラに hypercharge がなく、W ボソン質量に木レベルで寄与するようにすることで、CDF-II での W ボソン質量の異常を説明する、シングレット-トリプレット スコトジェニックなダークマター模型を提案している。このモデルは同時に1ループでニュートリノ質量を生成し、実験データと整合する広範なパラメータ空間において S、T、U パrameters および直接検出の制約を満たす、妥当なフェルミオン的ダークマター候補を提供する。

ABSTRACT

The recent high precision measurement of $W$ boson mass by CDF-II collaboration points to the contribution(s) of new physics beyond the Standard Model. One of the minimalistic ways to account for the anomalous $W$ boson mass is by introducing a hyperchargeless real $SU(2)_L$ triplet scalar whose vacuum expectation value explicitly contributes to the $W$ boson mass at the tree level while the $Z$ boson mass remains the same. Such a triplet can be naturally embedded in a singlet-triplet scotogenic model for one loop neutrino mass generated by dark sector particles running in the loop. We discuss the detailed phenomenology of the model, obtaining the parameter space consistent with the CDF-II $W$ boson mass measurements. The dark matter as well as the constraints comings from $S$, $T$, $U$ parameters are also analyzed.

研究の動機と目的

• 標準模型予測からの CDF-II の W ボソン質量測定における 7σ のずれを説明すること。
• 1ループニュートリノ質量生成のためのスコトジェニックモデルに、hypercharge がゼロの SU(2)L トリプレット スカラを埋め込むこと。
• S、T、U パrameters による電弱精度観測量との整合性を保証すること。
• 妥当なフェルミオン的ダークマターのシナリオにおいて、リリック密度および直接検出の制約を満たすこと。
• 直接検出の可能性が向上する混合シングレット-トリプレット ダークマターの物性を調査すること。

提案手法

• hypercharge がゼロの SU(2)L トリプレット スカラ Ω を導入し、その真空期待値 vΩ が、Z ボソン質量に影響を与えることなく、W ボソン質量に木レベルで寄与するようにする。
• Z2 ダーク対称性の下で、シングレットフェルミオン N、トリプレットフェルミオン Σ、ダブルット スカラ η、およびトリプレット スカラ Ω を含む、標準模型の最小限の拡張を構築する。
• η と Ω の交換を通じて1ループニュートリノ質量を生成し、そのうちトリプレット スカラ Ω がループ図を閉じることを実装する。
• S、T、U パrameters を計算し、CDF-II の W ボソン質量を含む電弱精度データに対するモデルの制約を評価する。
• リリック密度の共凝縮および Z ボソンとヒッグス ボソンを介したスピン非依存散乱による直接検出を含む、ダークマターの物性を分析する。
• シングレット フェルミオン N とトリプレットの電荷がゼロの成分との混合を考慮し、直接検出感度が向上する混合ダークマター状態を導く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hypercharge がゼロの SU(2)L トリプレット スカラが、小さな真空期待値を持つ場合、木レベルで CDF-II の W ボソン質量測定を説明できるか？
• RQ2 このようなトリプレット スカラが、1ループニュートリノ質量生成を可能にするスコトジェニックモデルに一貫して埋め込めるか？
• RQ3 S、T、U 精度観測量からの制約、特に CDF-II の結果を踏まえた場合、モデルのパラメータにどのような制限が生じるか？
• RQ4 モデルが、リリック密度および直接検出の制約を満たす、妥当なダークマター候補を提供するか？
• RQ5 シングレットとトリプレット フェルミオンの混合が、特に直接検出においてダークマターの物性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• CDF-II の W ボソン質量測定値 80.4335 ± 0.0094 GeV は、hypercharge がゼロの SU(2)L トリプレット スカラの真空期待値による木レベルの寄与によって説明され、観測されたずれを再現するためには vΩ ≈ 1.5 GeV 必要である。
• モデルは、ダークスカラ η とトリプレット スカラ Ω の交換を通じて、1ループニュートリノ質量を生成し、後者によりループ図が閉じられることを確認した。
• S、T、U パrameters を計算した結果、グローバルフィットと整合的であり、主にスカラ ダブルット η とトリプレット スカラ Ω からの寄与が支配的であることが判明した。
• リリック密度は、パラメータ空間の広い範囲で観測値と整合する、シングレット N とトリプレット Σ の中性成分の混合によるフェルミオン的ダークマター候補によって満たされた。
• N と Σ 間の混合により、Z ボソンとヒッグス ボソンを介した、核子への非ゼロの木レベル結合が生じ、LUX-ZEPLIN および XENON1T の現在の限界内での断面積が得られた。
• モデルは、CDF-II 異常、ニュートリノ質量生成、ダークマターのすべてを、標準模型の単一で最小限の拡張によって統一的に説明するフレームワークを提供する。