[論文レビュー] $W$ boson mass shift and muon magnetic moment in the Zee model

Talal Ahmed Chowdhury, Julian Heeck+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、最小的放射ニュートリノ質量フレームワークとしてのZeeモデル内で、CDFが測定した$W$ボソン質量の異常と$(g-2)_\mu$の乖離を統一的に説明する。特に、重い電荷を帯びたスカラーと軽い中性スカラーからなる階層的なスカラー質量スペクトルが、すべての実験的制約（レプトンフラバー違反やLHCの制約を含む）を満たしつつ、両方の異常を同時に解消するために不可欠であることが示されている。また、LHCにおける同一符号の二重ミューオン信号を予測している。

ABSTRACT

The CDF collaboration at Fermilab has recently reported a new precision measurement of the $W$~boson mass showing a substantial $7σ$ deviation from the Standard Model prediction. Moreover, Fermilab has recently confirmed the longstanding tension in the $(g-2)_μ$ measurement. We propose a unified solution to these deviations within the simplest radiative neutrino mass model: the Zee model. Our analysis establishes non-trivial links between the origin of neutrino mass, the $(g-2)_μ$ anomaly, and the $W$~boson mass shift while being consistent with lepton flavor violation and all other experimental constraints. We find that the mass spectrum of the physical scalars must be hierarchical to be consistent with the $W$~boson mass shift; remarkably, this is also the key to resolving the $(g-2)_μ$ tension. Furthermore, this mass splitting offers a unique same-sign dimuon signal through which our model can be tested at the LHC.

研究の動機と目的

• CDFが標準模型予測から測定した$7\sigma$の$W$ボソン質量のずれを解消すること。
• 長年の$4.2\sigma$のミューオンの異常磁気モーメント$(g-2)_\mu$の乖離を解消すること。
• Zeeモデルにおける放射的ニュートリノ質量の起源を一貫したフレームワークで提示すること。
• スカラー質量の階層性に起因する、LHCにおけるテスト可能な特徴的な信号（同一符号の二重ミューオン生成）を同定すること。
• すべての既存の制約（レプトンフラバー違反、電弱精度観測量、コライダー制約など）と整合すること。

提案手法

• 二つのヒッグスダブルレットと単一の電荷を帯びたスカラー$\eta^+$を含むZeeモデルを採用し、最小的放射ニュートリノ質量メカニズムを実装する。
• 標準模型に類似したヒッグスと整合性を保つために、CP保存型アライメント限界（$\cos(\beta - \alpha) = 0$）を課す。
• Zeeモデルにおけるオブリーク$S$, $T$, $U$パラメータおよび$\Delta r$補正を用いて、$W$ボソン質量のずれの1ループ寄与を計算する。
• 頂点関数$G(M, \varepsilon)$とヤコビ型結合を用いて、電荷を帯びたスカラーおよび中性スカラーからのミューオンの異常磁気モーメントへの1ループ寄与を評価する。
• $cLFV$, $M_W$, $(g-2)_\mu$, LHC探索の制約を満たすように、Zeeモデルのパrameter空間を全数的スキャンする。
• スカラー質量の階層性に起因して、$\eta^+ \to \mu^+ \mu^+$の崩壊とLHCにおける$\eta^+ \eta^+ \to \mu^+ \mu^+$生成に起因する、特徴的な同一符号の二重ミューオン信号を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zeeモデルは、実験的制約に違反することなく、CDFによる$7\sigma$の$W$ボソン質量のずれと$(g-2)_\mu$の異常を同時に説明できるか？
• RQ2 $W$ボソン質量のずれを再現し、$(g-2)_\mu$の緊張を解消するために必要なスカラー質量スペクトルは何か？
• RQ3 Zeeモデルにおけるスカラー質量の階層性は、レプトンフラバー違反とコライダーのシグネチャにどのように影響を与えるか？
• RQ4 スカラー質量の階層性に起因する特徴的なLHCシグネチャは何か？そして、それがモデルの検証に利用可能か？
• RQ5 $W$ボソン質量と$(g-2)_\mu$の両者と整合性を保ちつつ、$\tau \to 3\mu$の制約にも適合する特定のヤコビ型テクスチャーは存在するか？

主な発見

• CDFの測定による$W$ボソン質量のずれを説明するには、$m_{H^+} \gg m_{H^0}, m_{A^0}$という階層的なスカラー質量スペクトルが不可欠である。
• この質量階層は、$(g-2)_\mu$の異常を解消するのに対しても不可欠であり、電荷を帯びたスカラーの1ループ寄与がミューオンの異常磁気モーメントに強く寄与するようにする。
• モデルは、スカラー質量の不均衡と$\mu$に偏ったヤコビ型結合に起因して、LHCにおける特徴的な同一符号の二重ミューオン信号を予測している。
• すべての現在の制約（特に電荷を帯びたレプトンフラバー違反）と整合しており、特に$\mu$に偏ったヤコビ型テクスチャーの下で$\tau \to 3\mu$の分岐比はBelle IIの感度内に収まっている。
• $W$ボソン質量のずれはオブリーク補正によって説明され、標準模型予測からの$7\sigma$のずれにおいて$T$パラメータが主な寄与を占める。
• 必要なスカラー質量の階層は、$cLFV$過程（例：$\mu \to e\gamma$）を自然に抑制し、実験的制限と整合性を保つ。