[논문 리뷰] Electroweak dark matter model accounting for the CDF $W$-mass anomaly

Jin-Wei Wang, Xiaojun Bi외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 02.

Computational Physics and Python Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 루프 유도된 기울임 보정을 통해 CDF W 보손 질량 비정상 현상을 설명하고, 同시에 가장 가벼운 중성 상태를 통해 냉각 암흑물질를 설명하는 관성 스칼라 싱เก트와 트리플렛 다중체를 포함하는 이중 힉스 두중체 모형을 제안한다. 스칼라 암흑물질 모형에서는 W 질량 편차, 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 모두 만족하는 타당한 매개변수 영역를 발견할 수 있지만, 산란 단면적과 잔류 밀도에 대한 엄격한 제약 조건으로 인해 페르미온 암흑물질 모형에서는 이러한 영역이 존재하지 않는다.

ABSTRACT

Recently, the CDF collaboration reported a new measurement of the $W$ boson mass $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV, which shows a $\sim 7σ$ deviation from the standard model prediction $80.3545 \pm 0.0057$ GeV obtained by the electroweak (EW) global fit. This deviation can be explained by new physics generating moderate EW oblique parameters $S$, $T$, and $U$. In this work, we use the loop corrections induced by some extra EW multiplets to explain the CDF $M_W$ anomaly. The lightest neutral particle in the multiplets can also serve as a candidate of cold dark matter (DM). We consider two such models, namely singlet-triplet scalar DM and singlet-doublet fermionic DM models, and perform numerical scans to find the parameter points accounting for the $M_W$ anomaly. The constraints from the correct DM thermal relic density and direct detection are also taken into account. We find the parameter points simultaneously interpreting the $M_W$ anomaly and satisfying the DM requirements in the former model, but do not find such parameter points in the latter model.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측에서 벗어난 CDF W 보손 질량 측정치의 7σ 이격을 전자약력 영역의 새로운 물리로 설명하기 위해.
• W 질량 비정상 현상과 동시에 타당한 냉각 암흑물질 후보를 제공하는 추가 전자약력 다중체를 포함하는 모형을 구축하기 위해.
• W 질량 비정상 현상, 적절한 열역학적 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 모두 만족하는 매개변수 영역를 식별하기 위해 매개변수 공간에 대한 수치적 스캔을 수행하기 위해.
• 동일한 이론적 프레임워크 하에서 스칼라 대비 페르미온 암흑물질 모형이 비정상 현상을 설명하는 데 있어 타당성의 차이를 평가하기 위해.
• 수백 GeV 이하의 가벼운 새로운 물리에 의한 루프 유도 기울임 보정의 현상학적 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 기울임 보정 S, T, U를 통해 W 보손 질량에 대한 루프 보정을 생성하기 위해 관성 실 스칼라 싱게트와 복소 스칼라 트리플렛을 새로운 전자약력 다중체로 도입하기 위해.
• 이러한 다중체의 수준에서의 수준 및 루프 수준 기여를 사용하여 W 보손 질량의 변화를 계산하고, 관측된 CDF 이격 ΔM_W ≈ 0.079 GeV와 일치시키기 위해.
• Boltzmann 방정식과 공존화/결합 과정을 사용하여 가장 가벼운 중성 상태(χ₁⁰)의 열역학적 잔류 밀도를 계산하기 위해.
• 효과 이론과 1 루프 도형을 사용하여 스핀-독립(SI) 및 스핀-의존(SD) 암흑물질-핵자 산란 단면적을 계산하기 위해.
• CDF W 질량 측정치, Planck 잔류 밀도(Ωh² ≈ 0.12), 직접 탐지 제약 조건(PandaX-4T, PICO-60)를 적용하여 매개변수 공간에 대한 전반적인 수치적 스캔을 수행하기 위해.
• 스칼라 DM 모형(singlet-triplet)과 페르미온 DM 모형(singlet-doublet)을 비교하여 현상학적 타당성의 차이를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 스칼라 다중체를 포함하는 스칼라 암흑물질 모형은 CDF W 보손 질량 비정상 현상을 동시에 설명하고, 천체물리학적 제약 조건과 직접 탐지 제약 조건을 모두 만족시킬 수 있는가?
• RQ2 W 보손 질량 비정상 현상을 만족함에도 불구하고, Weyl 싱게트와 더블렛 다중체를 포함하는 페르미온 암흑물질 모형은 왜 타당한 매개변수 영역를 생성하지 못하는가?
• RQ3 공존화, 공진 결합, 금지된 채널이 스칼라 DM 모형에서 적절한 잔류 밀도를 달성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 SI 및 SD 산란 단면적에 대한 직접 탐지 제약 조건이 두 모형의 타당한 매개변수 영역를 어떻게 제한하는가?
• RQ5 관측된 W 질량 이격을 루프 보정을 통해 생성하기 위해 필요한 새로운 물리 스펙트럼의 질량 척도와 질량 분리 정도는 무엇인가?

주요 결과

• 싱게트-트리플렛 스칼라 DM 모형에서는 CDF W 질량 비정상 현상, 적절한 열역학적 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 동시에 만족하는 타당한 매개변수 영역가 존재한다.
• 스칼라 DM 모형의 타당한 매개변수 영역는 일반적으로 과잉 생성을 방지하기 위해 공존화, 공진 결합, 또는 금지된 채널을 통한 결합을 포함하는 특별한 영역에서 발견된다.
• 스칼라 DM 모형은 직접 탐지 제약 조건을 회피하기 위해 작은 스칼라 결합을 요구하지만, 이는 비표준 결합 메커니즘이 활성화되지 않는 한 과잉 생성을 유도한다.
• 페르미온 DM 모형에서는 W 질량 비정상 현상, 적절한 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 동시에 만족하는 타당한 매개변수 영역가 존재하지 않는다.
• hχ₁⁰χ₁ coupling이 0이거나 매우 가벼운 암흑물질(m_χ₁⁰ ~ 1 GeV)인 매개변수 영역는 W 질량 비정상 현상을 설명하지 못하거나 스핀-의존 직접 탐지 제약 조건에 의해 배제된다.
• 이 연구는 동일한 이론적 프레임워크 하에서 스칼라 DM 모형이 페르미온 DM 모형보다 CDF W 질량 비정상 현상을 설명하는 데 더 타당하다고 결론내리며, 더 풍부한 결합 채널과 결합 구조가 기여한다.