[논문 리뷰] A model explaining the new CDF II W boson mass linking to muon $g-2$ and dark matter

Keiko Nagao, Takaaki Nomura외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 U(1) 게이지 대칭을 확장하고, 벡터-유사 렙톤과 관성 스칼라 이중자를 도입하여 CDF II의 W 보손 질량 비정상 현상, 뮤온의 g-2 편차, 그리고 타당한 암흑물질 후보를 동시에 설명한다. 이 모형은 측정된 뮤온 g-2에 대해 편향 억제가 없는 루프 기여를 통해 상당한 기여를 하며, 관성 스칼라의 기여로 인해 양의 ΔT 이동이 발생함으로써 W 보손 질량 초과 현상을 해결한다. 이때 실수부 성분인 관성 스칼라가 암흑물질 후보로 작용하여, 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

We propose a model to explain the W boson mass anomaly reported by the CDFII collaboration that would suggest new physics (NP). We introduce exotic fermions; one isospin doublet vector-like lepton, one isospin singlet singly-charged vector-like lepton, and an isospin doublet inert scalar. The proposed model provides sizable muon anomalous magnetic moment (muon $g-2$) due to no chiral suppression and nonzero mass difference between the real and imaginary parts of neutral inert scalar bosons. The inert scalar mass squared difference and vector-like exotic leptons ($L', E'$ in the main text) affect oblique parameters. Especially, the $T$-parameter shift from zero explains the W boson mass anomaly. We search for the allowed parameter region to explain both muon $g-2$ and W boson mass anomaly at the same time. We also discuss a dark matter (DM) candidate assuming the real part of the inert scalar field to be the one. We find that lighter DM mass is favored to be consistent with experimental constraints.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측에 비해 CDF II에서 측정된 W 보손 질량의 7σ 이격 현상을 설명하기 위해.
• 뮤온의 비정상 자기모멘트(g-2)에서 관측된 4.2σ 이격 현상을 동시에 설명하기 위해.
• 우주론적 제약과 직접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 암흑물질 후보를 제공하기 위해.
• 모든 세 가지 비정상 현상이 하나의 재규격화 가능한 모형 내에서 동시에 설명될 수 있는 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 암흑물질 후보를 안정화하기 위해 $Z_2$ 대칭을 가진 스칼라 이중자 확장 세트를 도입한다.
• 새로운 U(1) 게이지 대칭에 따라 전하를 지닌 두 개의 벡터-유사 페르미온을 가정한다: 이소스핀 이중자($L'$)와 스칼라($E$).
• 벡터-유사 페르미온과 관성 스칼라로부터 온-루프 기여를 통해 옴부리 파라미터(ΔT, ΔS)를 계산하며, 스칼라가 W 보손 질량 비정상 현상을 해결하기 위해 양의 ΔT를 기여한다.
• 벡터-유사 렙톤을 포함한 전하 상호작용을 통한 뮤온 g-2의 1루프 기여를 평가하며, 뮤온 질량에 의해 억제되지 않는 벡터-유사 성질로 인해 기여가 억제되지 않는다.
• 암흑물질 후보($\eta_R$)의 잔류 밀도를 유도하고, $Z'$-중간자 $Z$-보손 교환를 통해 직접 탐지 단면적을 계산한다.
• 모든 실험 제약 조건, 즉 $m_W$ 비정상 현상, $g-2$ 이격 현상, 암흑물질 제약 조건을 만족하는 매개변수 영역을 수치적 스캔으로 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 모형이 CDF II의 W 보손 질량 비정상 현상, 뮤온 g-2 이격 현상, 그리고 타당한 암흑물질 후보를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 관성 스칼라($\eta_R$ 및 $\eta_I$)의 실수부와 허수부 사이의 질량 분리가 상당한 g-2 기여를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 벡터-유사 페르미온과 관성 스칼라는 옴부리 T-파라미터에 어떻게 기여하며, W 보손 질량 측정치에서 요구되는 양의 ΔT를 설명할 수 있는가?
• RQ4 모델이 모든 실험 제약 조건을 충족하는, 즉 잔류 밀도와 암흑물질의 직접 탐지 한계를 만족하는 허용 가능한 매개변수 영역은 어디인가?

주요 결과

• 모형은 측정된 뮤온 g-2에 대해 비초기성의 벡터-유사 페르미온 루프를 통해 상당한 기여를 달성하며, $\eta_R$와 $\eta_I$ 사이의 비제로 질량 제곱 분리로 인해 효과가 증폭된다.
• 관성 스칼라 이중자는 T-파라미터에 양의 기여를 하며, 이는 CDF II의 W 보손 질량 초과 현상을 설명하는 데 필수적이다. 반면, 벡터-유사 페르미온은 음의 기여를 한다.
• 실수부 성분인 관성 스칼라($\eta_R$)가 암흑물질 후보로 식별되며, 직접 탐지 제약 조건을 만족하기 위해 더 낮은 질량이 선호된다.
• 모형은 W 보손 질량 비정상 현상과 뮤온 g-2 이격 현상을 동시에 설명할 수 있으며, 암흑물질 제약 조건을 고려할 경우 뮤온 g-2 값이 실험 값의 3σ 범위 내에 들어간다.
• 수치 분석을 통해 모든 세 가지 비정상 현상이 해결되는 타당한 매개변수 영역이 존재하며, W 보손 질량 이격 현상의 주요 메커니즘은 T-파라미터의 이동이다.