[논문 리뷰] Explanation of the $W$ mass shift at CDF II in the Georgi-Machacek Model

Ting-Kuo Chen, Cheng-Wei Chiang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CDF II에서 관측된 $W$ 보손 질량 비정상성 현상을 설명하기 위해 캐스텔리안 대칭 위반 항을 스칼라 포텐셜에 포함시킨 지오르기-마하체크 모델의 최소한의 확장 기반으로 제안한다. 이sovotropic 삼중항 스칼라 필드의 비정렬 진공 기대값(VeV)을 允허함으로써, CDF II에서 측정된 $m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV의 7σ 수준의 결과를 재현할 수 있는 반사적 일관성 있는 프레임워크를 달성한다. 이에 따라 $v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeV의 조건 하에 대부분의 매개변수 공간에서 $\kappa_W > \kappa_Z$를 예측한다.

ABSTRACT

The CDF II experiment has recently determined the mass of the $W$ boson to be $m_W( ext{CDF II}) = 80.4335 \pm 0.0094~$GeV, which deviates from the standard model prediction at $7σ$ level. Although this new result is in tension with other experiments such as those at LHC and LEP, it is worth discussing possible implications on new physics by this anomaly. We show that this large discrepancy can be explained by non-aligned vacuum expectation values of isospin triplet scalar fields in the Georgi-Machacek model extended with custodial symmetry breaking terms in the potential. The latter is required to avoid an undesirable Nambu-Goldstone boson as well as to be consistent treatment of radiative corrections. With $m_W( ext{CDF II})$ as one of the renormalization inputs at the 1-loop level, we derive the required difference in the triplet vacuum expectation values, followed by a discussion of phenomenological consequences in the scenario.

연구 동기 및 목표

• CDF II에서 측정된 $W$ 보손 질량($m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV)과 표준모형 예측($m_W = 80.357 \pm 0.006$ GeV) 사이의 7σ 이질성 문제를 해결하기 위해.
• 스칼라 포텐셜에 캐스텔리안 대칭 위반 항을 도입함으로써 물리적이지 않은 나무-골드스톤 모드를 피할 수 있는 이론적으로 일관된 프레임워크를 제공하기 위해.
• 관측된 $W$ 보손 질량 이격 현상을 수용하면서도 반사적 보정을 자세히 다룰 수 있는 자기 일관성 있는 접근법을 확보하기 위해.
• 확장된 지오르기-마하체크 모델에서 비정렬 삼중항 VEV의 현상학적 결과, 특히 게이지 및 페르미온 상호작용 상수에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 실수 및 복소 이소스핀 삼중항 필드의 비정렬 진공 기대값을 允허하기 위해 스칼라 포텐셜에 캐스텔리안 대칭 위반 항을 도입함으로써 지오르기-마하체크 모델을 확장한다.
• 측정된 $m_W$를 일계 수준에서의 양자 보정 입력 조건으로 삼아 삼중항 VEV의 차이를 결정한다.
• 측정된 $m_W$로부터 $v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeV 조건을 유도하여 관측된 비정상성을 재현한다.
• 매개변수 스캔을 통해 $v_\chi$의 변화에 따른 현상학적 결과를 탐색하며, $\kappa_f$, $\kappa_W$, $\kappa_Z$, 그리고 체이닝 히긴스 보손의 분해비를 분석한다.
• $\rho$ 파라미터에 미치는 영향을 분석하고 반사적 보정을 통해 전자약력 정밀 관측량과의 일관성을 확보한다.
• ATLAS 측정치와의 비교를 통해 $\kappa_f$ 및 $\kappa_{\gamma}$ 예측의 기존 데이터와의 호환성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적 일관성을 유지하는 최소한의 지오르기-마하체크 모델 확장 내에서 CDF II의 $W$ 보손 질량 비정상성이 설명될 수 있는가?
• RQ2 측정된 $m_W$를 재현하기 위해 실수 및 복소 이소스핀 삼중항 히긴스 필드의 진공 기대값 차이가 얼마여야 하는가?
• RQ3 비정렬 삼중항 VEV는 모델에서 $\rho$ 파라미터와 $W$, $Z$ 보손 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 확장된 모델에서 $\kappa_f$, $\kappa_W$, $\kappa_Z$의 현상학적 결과는 무엇인가?
• RQ5 ATLAS 측정치인 $\kappa_f$ 및 $\kappa_{\gamma}$와의 호환성을 유지하면서도 모델이 $\kappa_W > \kappa_Z$를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• CDF II의 $W$ 보손 질량 측정치를 재현하기 위해 필요한 삼중항 진공 기대값의 차이는 $v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeV이다.
• 모델은 대부분의 매개변수 공간에서 $\kappa_W > \kappa_Z$를 예측하며, 원래의 지오르기-마하체크 모델에선 관찰되지 않는 특징적 성질을 가진다.
• $\kappa_f$는 1을 초월할 수 있으며, 스캔에서 빨간 영역($v_\chi \in [5,50]$ GeV)은 $\kappa_f \sim 0.25$에서 $\gtrsim 1.00$까지를 커버하며 ATLAS 데이터와 일치한다.
• 모델은 $\kappa_{Z\gamma} \in (0.95, 1.15)$를 예측하지만, ATLAS 측정치인 $1.43^{+0.31}_{-0.38}$와의 괴리로 인해 잠재적인 불일치를 시사한다.
• $H_1^\pm$ 및 $H_2^\pm$의 $tb$ 및 $WZ$ 최종 상태로의 분해비가 지배적이며, 이는 LHC에서의 잠재적 발견 채널을 시사한다.
• 캐스텔리안 대칭 위반 항을 도입함으로써 물리적이지 않은 나무-골드스톤 모드를 피하고 반사적 보정을 위한 일관된 이론적 프레임워크를 확보한다.