[논문 리뷰] Explaining the $W$ boson mass anomaly and dark matter with a $U(1)$ dark sector

Kai-Yu Zhang, Wan-Zhe Feng|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 17.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CDF 협동조합이 관측한 W 보손 질량의 7σ 이상의 이상 현상과 암흑물질 후보를 설명하기 위해 표준모형의 U(1) 어둠의 섹터 확장을 제안한다. U(1)_{A Y + B q} 확장은 혼합 초위상과 강입자 수의 대칭성을 포함할 경우 W 보손 질량에 77 MeV의 증가를 유도할 수 있으며, 순수한 운동 에너지 혼합 모형은 약 10 MeV의 증가만 허용한다. 이 모형은 수백 GeV에서 TeV 범위의 질량을 가진 타당한 페르미온형 어둠의 물질 후보를 제공한다.

ABSTRACT

The $W$ boson mass recently reported by the CDF collaboration shows a deviation from the standard model prediction with an excess at $7σ$ level. We investigate two simple extensions of the standard model with an extra $U(1)$ dark sector. One is the $U(1)_x$ extension, where the $U(1)_x$ gauge field mixes with the standard model through gauge kinetic terms. The other is a general $U(1)_{\mathbf{A} Y+\mathbf{B} q}$ extension of the standard model. Fitting various experimental constraints we find the $U(1)_x$ extension with only kinetic mixing can enhance the $W$ boson mass for at most 10~MeV. While the $U(1)_{\mathbf{A} Y+\mathbf{B} q}$ extension can easily generate 77~MeV enhancement of the $W$ boson mass and also offer a viable dark matter candidate with mass ranging from several hundred GeV to TeV, which may be detected by future dark matter direct detection experiments with improved sensitivities.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측과 비교해 CDF 측정에서 관측된 W 보손 질량의 7σ 이격 현상을 설명한다.
• 우주론적 잔여 밀도 및 직접/간접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 어둠의 물질 후보를 제공한다.
• 운동 에너지 혼합 또는 일반화된 U(1) 대칭을 가진 U(1) 어둠의 섹터가 W 보손 질량 이상 현상과 어둠의 물질을 동시에 해결할 수 있는지 조사한다.
• 특히 Z 보손 붕괴 폭 제약 조건을 포함한 전자약력 정밀도 시험에서 모형의 타당성을 평가한다.
• 현재 실험 제약 조건 하에서 각 모형이 달성할 수 있는 최대 W 보손 질량 증가량을 결정한다.

제안 방법

• 어둠의 U(1)_x 게이지 보손과 SM 초위상 U(1)_Y 사이의 운동 에너지 혼합을 포함한 U(1)_x 확장을 표준모형에 구성한다.
• S, T, U 오블리크 매개변수 체계를 사용하여 어둠의 섹터에서 기인하는 새로운 물리 기여로 인한 W 보손 질량 보정을 계산한다.
• 새로운 U(1)이 초위상과 강입자 수의 선형 조합인 일반화된 U(1)_{A Y + B q} 대칭을 도입하여 혼합 효과를 강화한다.
• 혼합 각도와 운동 에너지 혼합 매개변수를 사용해 두 모형에서 Z 보손의 SM 페르미온과의 효과적 결합을 계산한다.
• 페르미온 쌍으로의 Z 보손 붕괴 폭을 계산하고 실험 값과 비교하여 모형을 제약한다.
• Z' 포털을 통한 붕괴를 통해 어둠의 물질 잔여 밀도를 평가하고 직접 및 간접 탐지 제약 조건과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 에너지 혼합을 가진 U(1) 어둠의 섹터가 CDF에서 관측한 77 MeV의 W 보손 질량 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ2 순수한 운동 에너지 혼합 U(1)_x 모형에서 현재 실험 제약 조건 하에서 달성 가능한 W 보손 질량 증가의 최대치는 얼마인가?
• RQ3 U(1)_{A Y + B q} 확장은 전자약력 정밀도 관측치와 일치하면서도 77 MeV의 W 보손 질량 이격을 생성할 수 있는가?
• RQ4 U(1)_{A Y + B q} 모형은 수백 GeV에서 TeV 범위의 질량을 가진 타당한 페르미온형 어둠의 물질 후보를 제공하는가?
• RQ5 직접 및 간접 어둠의 물질 탐지 제약 조건은 U(1)_{A Y + B q} 모형에서 어둠의 물질 후보의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 순수한 운동 에너지 혼합 U(1)_x 모형은 W 보손 질량을 최대 10 MeV까지 증가시킬 수 있으며, 이는 CDF 이상 현상의 설명에 부족하다.
• U(1)_{A Y + B q} 모형은 CDF 측정치와 1σ 불확실성 내에서 일치하는 77 MeV의 W 보손 질량 증가를 생성할 수 있다.
• 두 모형 모두 Z 보손 붕괴 폭이 실험 오차 범위(±0.0023 GeV) 내에 있으며, 0.7–1.0 MeV 이내의 편차를 보여 전자약력 정밀도 데이터와 호환됨을 시사한다.
• U(1)_{A Y + B q} 모형은 수백 GeV에서 1 TeV 범위의 질량을 가진 페르미온형 어둠의 물질 후보를 제공하며, 관측된 잔여 밀도와 일치한다.
• U(1)_{A Y + B q} 모형의 벤치마크 포인트는 현재의 직접 및 간접 어둠의 물질 탐지 제약 조건을 충족하며, 향후 실험에서 탐지 가능성이 있다.
• 모형은 전자약력 정밀도 시험에서도 타당하며, 수정된 Z 보손 붕괴 폭이 실험 범위인 2.4952 ± 0.0023 GeV 내에 유지된다.