[論文レビュー] W-boson mass in the triplet seesaw model

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CDF共同作業のWボソン質量における7σの乖離が、電弱トリプレットスカラーを導入するタイプ-II・シーイズモデルによって説明可能であると提唱している。このモデルはメジャナウネイトリノ質量を生成し、100–200 GeVの二重電荷を有するヒッグス粒子（H⁺⁺）を予言する。このH⁺⁺は、斜め補正を通じてWボソン質量に寄与する。好ましいパラメータ空間は、Drell–Yan生成と同符号二ボソン崩壊を通じてLHCで完全に検証可能である。

ABSTRACT

The CDF collaboration has recently published a precision measurement of the W-boson mass that differs from the Standard Model prediction by seven standard deviations. This result can be explained with additional electroweak multiplets that either break the custodial symmetry or contribute to oblique parameters at loop level. Here, we study one of the best-motivated scenarios involving new multiplets: the type-II seesaw model, which involves a scalar triplet that generates Majorana neutrino masses and can furthermore resolve the W-boson mass discrepancy. This favors a doubly-charged scalar with mass between 100 and 200 GeV as well as other scalars with a fixed mass splitting. The entire preferred parameter space is testable at the LHC.

研究の動機と目的

• CDF共同作業の最近のWボソン質量測定は、標準模型予測から7σのずれを示しており、カスティナル対称性の破綻を示唆している。
• この異常は、Wボソン質量に斜め補正を生成できる拡張された電弱多重項を有する新しい物理モデルの動機を提供する。
• タイプ-II・シーイズモデルは、ニュートリノ質量を同時に説明できるため、well-motivatedな候補である。
• 目的は、トリプレット・シーイズモデルが、既存の電弱精度データおよびコライダー制約と両立しつつ、CDF結果を一貫して説明できるかを検証することである。
• 本研究の目的は、モデルの妥当なパラメータ空間を特定し、LHCでの検出可能性を評価することである。

提案手法

• モデルは、電弱SU(2)_LのトリプレットスカラーΔを導入し、Hypercharge +2を有する。このΔは、真空期待値v_Δをとることで、ヤコビ係数結合を通じてメジャナウニュートリノ質量を生成する。
• Wボソン質量への斜め補正は、SおよびTパラメータを用いて計算され、CDF結果は、電弱精度データへのグローバルフィットから導かれるT ≈ 0.27およびS ≈ 0.17を要請する。
• トリプレット状態間の質量スプリットは、スカラー自己相互作用の四次結合定数λ₄によって決定され、m_H⁺⁺² ≈ m_H⁺² + (λ₄ v²)/2およびm_H² ≈ m_A² ≈ m_H⁺² + (λ₄ v²)/4となる。
• モデルは、二重電荷ヒッグスH⁺⁺がゲージ相互作用を通じて主にW⁺W⁺に崩壊すると予測する。崩壊幅はg⁴ v_Δ² m_H⁺⁺³ / m_W⁴に比例する。
• レプトンフラバー違反および同符号二レプトン探索からの制約を適用し、レプトン崩壊を抑制するためにY ≪ 1およびv_Δ < 1 GeVを要請する。
• LHCでの発見可能性は、Drell–Yan生成断面積（1–0.1 pb）および崩壊チャネル（H⁺⁺ → 4WおよびH⁺ → 3W）を通じて評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-II・シーイズモデルは、電弱精度データと両立しつつ、CDFのWボソン質量測定における7σの乖離を説明できるか？
• RQ2 S ≈ 0.17、T ≈ 0.27の必要な斜め補正を生成できる、とりわけH⁺⁺の妥当な質量および結合定数範囲は何か？
• RQ3 レプトンフラバー違反および同符号二レプトン探索からの制約は、H⁺⁺崩壊のパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ4 好ましいパラメータ領域におけるH⁺⁺、H⁺および中性スカラーHとAの主な崩壊チャネルは何か？また、それらはLHCでどのように検出可能か？
• RQ5 トリプレット状態の全スペクトルはLHCで検証可能か？また、発見のための主要なシグネチャは何か？

主な発見

• CDFのWボソン質量異常は、100–200 GeVの二重電荷ヒッグス粒子H⁺⁺を伴うタイプ-II・シーイズモデルによって説明可能である。
• レプトンフラバー違反を抑制し、同符号レプトン崩壊が実験的限界以下に保たれるようにするため、小さなトリプレット真空期待値v_Δ < 1 GeVを要請する。
• H⁺⁺の主な崩壊モードはH⁺⁺ → W⁺W⁺であり、崩壊幅はg⁴ v_Δ² m_H⁺⁺³ / m_W⁴に比例する。このため、LHCにおけるDrell–Yan生成を通じて検出可能である。
• pp → H⁺⁺H⁻⁻の生成断面積は、100–200 GeVの質量範囲で1 pbから0.1 pbの間であり、LHCで検証可能である。
• 単一電荷H⁺および中性H/Aスカラーは、H⁺⁺より60–80 GeV重く、v_Δ²に比例して崩壊幅が抑制されるため、オフシェルWボソンを通じた多体最終状態（例：H⁺ → 3W）を形成する。
• 質量200–300 GeVの中性スカラーHとAは、主にオフシェルWボソンを通じて崩壊し、H⁺⁺が最初に観測された場合にのみ検出可能である。したがって、確認のためには二次的だが不可欠な検出である。