[논문 리뷰] Hadronic Uncertainties versus New Physics for the $W$ boson Mass and Muon $g-2$ Anomalies

Peter Athron, Andrew Fowlie외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 관측된 $W$ 보손 질량과 μ 레프톤 $g-2$ 이질성이 표준모형의 강입자 불확실성에 기인하는지 아니면 새로운 물리학이 필요한지 조사한다. 강입자 기여 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유 매개변수로 허용하는 전반적인 전자약력 피팅을 수행한 결과, $W$ 질량과 $g-2$ 이질성은 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 서로 반대 방향으로 끌어당기며, 이는 표준모형 내에서 둘 다를 동시에 해결할 수 없음을 의미한다. 결과적으로, CDF $W$ 질량 측정치가 올바르다면, 어느 한 이질성에 대해서든 새로운 물리학이 피할 수 없다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

There are now two single measurements of precision observables that have major anomalies in the Standard Model: the recent CDF measurement of the $W$ mass shows a $7σ$ deviation and the Muon $g-2$ experiment at FNAL confirmed a long-standing anomaly, implying a $4.2 σ$ deviation. Doubts regarding new physics interpretations of these anomalies could stem from uncertainties in the common hadronic contributions. We demonstrate that these two anomalies pull the hadronic contributions in opposite directions by performing electroweak fits in which the hadronic contribution was allowed to float. The fits show that including the $g - 2$ measurement worsens the tension with the CDF measurement and conversely that adjustments that alleviate the CDF tension worsen the $g-2$ tension beyond $5 σ$. This means that if we adopt the CDF $W$ mass measurement, the case for new physics in either the $W$ mass or muon $g-2$ is inescapable regardless of the size of the SM hadronic contributions. Lastly, we demonstrate that a mixed scalar leptoquark extension of the Standard Model could explain both anomalies simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 강입자 기여에 기인한 불확실성으로 인해 $W$ 보손 질량과 μ 레프톤 $g-2$ 이질성이 설명될 수 있는지 평가하기.
• CDF $W$ 보손 질량에서 관측된 $7\sigma$ 이질성과 $4.2\sigma$ $g-2$ 이질성이 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 조정함으로써 표준모형 내에서 조율될 수 있는지 결정하기.
• CDF $W$ 질량 측정치와 $g-2$ 측정치 사이의 긴장이 강입자 입력값을 변화시킴으로써 해결될 수 있는지 아니면 새로운 물리학이 필요한지 평가하기.
• 두 이질성을 통합적으로 설명할 수 있는 스칼라 레프토퀀크 모형을 탐색하기.
• 표준모형 내에서 $ ababla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유롭게 조정할 때 CDF $W$ 질량 측정치가 $g-2$ 긴장에 미치는 영향을 정량화하기.

제안 방법

• 정밀 전자약력 데이터(예: $M_W$, $\Gamma_Z$, $M_Z$, $A_{\text{FB}}$, $R_b$, $R_c$, $\sigma_h^0$)를 사용하여 전역 전자약력 피팅을 수행하며, $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유 매개변수로 사용한다.
• 전자-양전자 충돌 단면적 데이터와 라티스 QCD 결과(BMWc)를 사용하여 다양한 피팅 시나리오에서 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 제약한다.
• 저에너지 투영 공식을 적용하여 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 $a_\mu$ 에 대한 강입자 진공 극화 기여와 연결한다.
• SM 예측값인 $M_W$ 와 $a_\mu$ 를 실험 측정치와 비교하여 $\sigma$ 단위로 긴장을 계산한다.
• μ 레프톤과 $q$ 쿼크에 대한 결합을 가진 혼합 스칼라 레프토퀀크 모형을 도입하여 두 이질성을 동시에 설명한다.
• 레프토퀀크 모형에서 $a_\mu$ 와 $\text{BR}(h \to \mu\mu)$ 사이의 상관관계를 분석하여 제약 조건과의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형 내에서 강입자 기여 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 조정함으로써 $W$ 보손 질량과 μ 레프톤 $g-2$ 이질성을 동시에 해결할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 내에서 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유롭게 조정할 때 CDF $W$ 질량 측정치를 포함하면 $g-2$ 긴장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 변화시킬 경우 $W$ 질량과 $g-2$ 측정치 사이의 병합 긴장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스칼라 레프토퀀크 모형이 $W$ 보손 질량과 μ 레프톤 $g-2$ 이질성을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 현재의 제약 조건을 고려할 때 $h \to \mu\mu$ 분해비와 $g-2$ 일관성으로부터 레프토퀀크 모형에 어떤 제약이 가해지는가?

주요 결과

• CDF $W$ 질량 측정치를 포함하면, $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유롭게 조정할 경우 $g-2$ 이질성과의 긴장이 $5.7\sigma$ 에서 $7.7\sigma$ 로 악화된다.
• W 질량 긴장을 완화시키기 위한 조정(예: $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 감소)은 $g-2$ 긴장을 $5\sigma$ 초과로 악화시키며, 이는 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 서로 반대 방향으로 끌고 있음을 시사한다.
• 질량이 $80.4335 \pm 0.0094$ GeV인 CDF $W$ 질량 측정치는 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 고정한 상태에서 표준모형 예측과 $7.2\sigma$ 의 긴장을 보이며, $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유롭게 조정해도 여전히 $5\sigma$ 초과의 긴장이 유지된다.
• CDF $W$ 질량 측정치를 포함하고 $ abla\alpha_{\text{had}}$ 를 자유롭게 조정할 경우, $g-2$ 이질성은 여전히 $7.7\sigma$ 의 긴장 수준을 유지하며, 이는 CDF 측정치가 올바르다면 새로운 물리학이 피할 수 없다는 것을 시사한다.
• $ abla\alpha_{\text{had}}$ 가 $10^{-1}$ 인 혼합 스칼라 레프토퀀크 모형과 $30$ GeV의 질량 분리가 존재할 경우, 두 이질성을 동시에 설명할 수 있으며, $h \to \mu\mu$ 분해비는 현재의 제약 조건과 일치한다.
• CDF $W$ 질량 측정치를 포함한 피팅의 $ abla\chi^2/\text{dof}$ 는 그렇지 않은 경우에 비해 크게 증가한다(예: $65.07/16$), 이는 강입자 불확실성으로는 해결할 수 없는 강한 통계적 긴장이 있음을 시사한다.