[論文レビュー] $Z$ boson mixing and the mass of the $W$ boson

Y. Zeng, Chengfeng Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、CDF共同研究が観測した$W$ボソン質量の過剰分を、$Z$ボソンと追加のゲージボソンとのツリー階層の混合によって説明できる可能性を提案している。Derivative Portal Dark Matterモデルでは、$W$ボソン質量、ダークマターの残存密度、斜めパラメータおよび間接検出の制約を同時に満たす、妥当なパラメータ空間が存在し、追加ボソンの質量は約120 GeVである。一方、U(1)拡張モデルでは、厳密な斜めパラメータの制約のため、$W$質量への寄与は約27 MeVにとどまる。

ABSTRACT

We explore the possibility of explaining the $W$ boson mass with an extra gauge boson mixing with the $Z$ boson at tree level. Extra boson mixing with the $Z$ boson will change the expression of the $Z$ boson mass, thus altering the $W$ boson mass. We explore two models in this work. We find that in the Derivative Portal Dark Matter model, there are parameters space which can give the observed $W$ boson mass, as well as the observed Dark Matter relic density. These parameters space can also fulfill the constraints from the electroweak oblique parameters and Dark Matter indirect detection. In the U(1) extension model, the kinetic mixing between extra boson and $B$ boson can also give the observed $W$ boson mass. However, to fulfill electroweak oblique parameters fit the kinetic mixing in the U(1) model can only contribute about $27~\mathrm{MeV}$ extra mass to the Standard Model $W$ boson mass. Both models indicate the extra vector boson with the best fit mass around $120~\mathrm{GeV}$.

研究の動機と目的

• 標準模型の予測値（$80.357 \pm 0.006$ GeV）を上回る、フェルミラブのCDFが測定した$W$ボソン質量（$80.4335 \pm 0.0094$ GeV）を説明すること。これは新しい物理の兆候を示唆している。
• ツリー階層の$Z$ボソンと追加ゲージボソンの混合が、観測された$W$ボソン質量の増大を生成できるかどうかを調査すること。
• 電弱斜めパラメータ、ダークマターの残存密度、および間接検出の制約を満たす条件下で、Derivative Portal Dark Matter（DPDM）モデルとU(1)拡張モデルの妥当性を評価すること。
• $W$ボソン質量測定値と、多数の精密電弱およびダークマターの制約を同時に満たすために必要な追加ベクトルボソンの質量と結合定数を特定すること。

提案手法

• 追加のベクトルボソンとの混合を含む$2\times2$質量行列を用いて$Z$ボソン質量をモデル化し、修正されたゲージ結合定数によって$W$ボソン質量が変化することを示す。
• フェルミラブのCDF測定値$ m_W = 80.4335 \pm 0.0094 $ GeV を、モデルパラメータのフィッティングの主要な入力として用いる。
• 両モデルにおける妥当なパラメータ空間を制限するために、電弱斜めパラメータ（$S$、$T$、$U$）の制約を適用する。
• DPDMモデルにおいて、宇宙論的妥当性を検証するために、ダークマターの残存密度および間接検出の制約を組み込む。
• グローバル電弱フィットと比較するための$\chi^2$解析を実施し、特に$S$、$T$、$U$パラメータに注目する。
• 両モデルにおける$T$パラメータおよび$\chi^2$の解析的表現を導出し、$s_w$および混合パラメータへのフィット感度を理解する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加のゲージボソンとのツリー階層の$Z$ボソン混合が、他の精密電弱制約に違反することなく、CDFの$W$ボソン質量測定値を説明できるか？
• RQ2 Derivative Portal Dark Matterモデルにおいて、$W$ボソン質量、ダークマターの残存密度、および間接検出限界を同時に再現できる妥当なパラメータ領域はどこか？
• RQ3 U(1)拡張モデルは、斜めパラメータの制約を満たしつつ、$W$ボソン質量増大にどの程度寄与できるか？
• RQ4 両モデルの$\chi^2$等高線が、$T$パラメータの行動が類似しているにもかかわらず、著しく異なるのはなぜか？
• RQ5 各モデルにおいて、$W$ボソン質量異常を最もよく適合させる追加ベクトルボソンの予測質量は何か？

主な発見

• Derivative Portal Dark Matterモデルでは、観測された$W$ボソン質量、測定済みのダークマターの残存密度、および斜めパラメータと間接検出の制約を同時に満たす、妥当なパラメータ空間が存在する。
• DPDMモデルにおける追加ベクトルボソンの最良適合質量は約120 GeVであり、$W$ボソン質量異常と整合的である。
• U(1)拡張モデルでは、$B$ボソンとの運動的混合が、$S$パラメータの厳しい制約のため、$W$質量への寄与が約27 MeVにとどまる。
• $W$質量が増大する際、U(1)モデルの$S$パラメータはその中央値（$0.005$）から著しくずれ、大きな質量寄与を不適切にする。
• DPDMモデルにおける$\chi^2$は、U(1)モデルよりも$T$パラメータの変化に敏感であり、より制限が厳しく、特徴的な$\chi^2$等高線形状を示す。
• U(1)モデルにおける$T$パラメータは、$s_w$を固定した場合、混合パラメータ$\epsilon$に対して弱い依存性を示すが、等高線の左下領域で増加する傾向にあり、良好なフィットを維持するためには$s_w$と$\epsilon$のトレードオフが必要である。