[논문 리뷰] Changing patterns in electroweak precision with new color-charged states: Oblique corrections and the $W$ boson mass

Linda M. Carpenter, Taylor Murphy외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 진공 기대값이 없는 색 전하를 지닌 쌍대 상태의 스칼라를 포함하는 모델을 제안하며, 이는 색 전하 상태와 중성 상태 사이의 질량 분리에 의해 큰 양의 T 매개변수를 생성함으로써 CDF 측정치와 일치하는 더 무거운 W 보손 질량을 가능하게 한다. 이러한 모델들은 T ≈ 0.1을 달성하며, 큰 색 인자로 인한 강화된 고리 보정 덕분에 7σ의 이질성을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

The recent measurement by the CDF Collaboration of the $W$ boson mass is in significant tension with the Standard Model expectation, showing a discrepancy of seven standard deviations. A larger value of $m_W$ affects the global electroweak fit, particularly the best-fit values of the Peskin-Takeuchi parameters $S$, $T$ (and perhaps $U$) that measure oblique corrections from new physics. To meet this challenge, we propose some simple models capable of generating non-negative $S$ and $T$, the latter of which faces the greatest upward pressure from the CDF measurement in scenarios with $U=0$. Our models feature weak multiplets of scalars charged under $\mathrm{SU}(3)_{ ext{c}} imes \mathrm{U}(1)_Y$, which cannot attain nonzero vacuum expectation values but nevertheless produce e.g. $T eq 0$ given some other mechanism to split the electrically charged and neutral scalars. We compute the oblique corrections in these models and identify ample parameter space supporting the CDF value of $m_W$.

연구 동기 및 목표

• CDF에서 측정한 W 보손 질량과 표준모형 예측 사이의 7σ 이질성을 해결한다.
• W 질량 이상 현상과 조화를 이룰 수 있도록 큰 양의 오블리크 보정(S, T, U)을 생성하는 새로운 물리 현상 시나리오를 탐색한다.
• 진공 기대값이 없지만 여전히 비영인 T를 생성할 수 있는 색 전하를 지닌 약한 쌍대 상태를 포함하는 모델을 구축한다.
• 전자약력 정밀도 제약 조건과 콜리라이저 탐색 결과에 따라 이러한 모델의 실현 가능성 평가한다.
• 허그스 보존이 질량 분리를 안정화시키는 데 어떻게 기여하는지, 동시에 허그스 생성 기여도를 과도하게 증가시키지 않는지 조사한다.

제안 방법

• SU(3)ₜ × U(1)Y에서 변환되는 스칼라의 약한 쌍대 상태를 도입하며, 비제로 색 표현(예: 기본 표현, 6중항)을 가지지만 진공 기대값이 없는 경우를 고려한다.
• 비아벨 게이지 대칭 또는 명시적 질량 분리와 같은 진공 기대값이 없는 메커니즘을 도입하여, 전하 성분과 중성 성분 간의 degeneracy를 풀어낸다.
• 페스킨-테이크우치 매개변수화를 사용하여 한 루프 오블리크 보정 S와 T를 해석적으로 계산하며, 색 인자로 인해 고리 기여가 증폭됨을 확인한다.
• W 및 Z 보손의 전체 한 루프 자기에너지로부터 S와 T의 표현식을 유도하며, 색 전하를 지닌 상태의 기여를 포함한다.
• 글루온 융합 및 네 제트 final 상태 등의 생산 채널을 통해 콜리라이저 현상학을 평가하며, 횡단단면적과 LHC 제약 조건을 추정한다.
• 허그스 보존의 제약 조건을 평가하기 위해 표준모형 허그스와의 삼중 상호작용을 분석하고, 허그스 신호 강도에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 색 전하를 지닌 약한 쌍대 상태를 포함하는 모델이 진공 기대값 없이도 큰 양의 T 매개변수를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 모델에서 달성 가능한 최대 T 매개변수는 얼마이며, CDF의 W 보손 질량 측정치와 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 큰 색 인자(예: 기본 표현 또는 6중항 표현)는 색 단일체 확장 대비 이러한 모델에서 오블리크 보정의 크기에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 색 전하를 지닌 스칼라의 주요 콜리라이저 서명은 무엇이며, 현재 LHC 데이터로는 배제될 수 있는가?
• RQ5 허그스 보존은 질량 분리를 얼마나 안정화시킬 수 있으며, 관측된 허그스 신호 강도와 일치하는 범위 내에서 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 모델들은 T ≈ 0.1을 생성하며, 이는 관측된 W 보손 질량의 7σ 이질성을 설명하는 데 충분하다.
• 진공 기대값이 없더라도, 전하 성분과 중성 성분 간의 질량 분리에 의해 비영인 T가 발생한다.
• 큰 색 인자(예: 기본 표현 또는 6중항 표현에서 유래)는 오블리크 보정에 대한 고리 기여를 크게 증폭시킨다.
• 이중 첨가 모델은 λ₀Σ < 0.02인 조건에서 필요한 25 GeV의 질량 분리를 달성하며, 허그스 보존 기여도는 작고 1% 이내로 유지된다.
• 글루온 융합 및 네 제트 최종 상태를 통한 생산은 테르바 스케일의 스칼라에서 횡단단면적이 약 10² fb 수준이며, LHC 제약 조건은 최대 1.1 TeV까지 이르렀다.
• 800 GeV 이상의 스칼라 질량에서 허그스 매개 고리 기여로 인한 글루온 융합 비율의 변화는 수용 가능한 수준(1% 이하)을 유지한다.