[논문 리뷰] Impact of CDF-II measurement of $M_W$ on the electroweak legacy of the LHC Run II

Eduardo da Silva Almeida, Alexandre Florindo Alves외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 최신 CDF-II의 W 보손 질량 측정값($M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV)과 업데이트된 탑 쿼크 질량을 바탕으로 표준모형 효과적 양자장이론(SMEFT)의 전자약력 전역 피팅을 재평가한다. Hagiwara-Ishihara-Szalapski-Zeppenfeld(HISZ) 기저를 사용하여 나무단계 전자약력 정밀도 관측량 여덟 가지를 직접 제약한다. 주요 결과는 새로운 $M_W$ 값이 $S$-$T$ 평면의 제약를 양의 $T$ 쪽으로 이동시켜 표준모형(SM)에서 약 $3\sigma$의 편차를 유도하며, 전역 피팅에서 유의미한 이동을 보이는 것은 오직 $f_{BW}$, $f_{\Phi,1}$, $f^{(1)}_{\Phi,e}$뿐이며, 모든 계수는 $1\sigma$ 불확도 범위 내에서 여전히 0과 호환된다.

ABSTRACT

We analyze the impact of the recently released CDF-II measurement of $W$ mass on the SMEFT analyses of the electroweak precision data as well as Higgs and electroweak diboson productions. We work in the Hagiwara, Ishihara, Szalapski, and Zeppenfeld basis in which eight generation-independent operators enter in the electroweak precision data at tree level and, unlike in the Warsaw basis, the analysis of that set of data constrains all the eight Wilson coefficients, without the need of combination with Higgs or electroweak diboson data results. We show that in the global analysis the determination of the coefficients of all operators which do not enter the electroweak precision data are barely affected by the new $M_W$ determination.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 II 전자약력 유산의 맥락에서 새로운 CDF-II $M_W$ 측정값이 전자약력 정밀도 데이터(EWPD)에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 업데이트된 $M_W$와 탑 쿼크 질량이 Hagiwara-Ishihara-Szalapski-Zeppenfeld(HISZ) 기저를 사용한 전역 SMEFT 피팅에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해. 이 기저는 힉스 또는 이보손 데이터에 의존하지 않고 여덟 개의 윌슨 계수를 직접 제약할 수 있도록 한다.
• 관측된 $M_W$ 편차가 STXS 힉스 및 이보손 데이터를 포함한 전역 피팅에서도 여전히 지속되는지, 그리고 윌슨 계수 제약의 변화를 정량화하기 위해.
• 새로운 측정값의 잠재적 시스템적 편향을 고려하여 CDF-II 측정값과 표준 평균 $M_W$를 대비하여 결과를 비교하기 위해.

제안 방법

• 분석은 전자약력 정밀도 데이터에 영향을 주는 8개의 SMEFT 연산자에 대해 모델에 종속되지 않은 직접 제약를 가능하게 하는 Hagiwara-Ishihara-Szalapski-Zeppenfeld(HISZ) 기저를 사용한다. 이는 $\mathcal{O}(\Lambda^{-2})$에서 이루어진다.
• 저자들은 전자약력 정밀도 데이터(EWPD), STXS 통한 힉스 생성, 이보손 생성 데이터를 조합한 전역 피팅을 수행하며, 이론적 예측은 윌슨 계수의 $\mathcal{O}(\Lambda^{-2})$에서 평가된다.
• 최신 CDF-II의 $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV와 업데이트된 탑 쿼크 질량($m_t = 171.79 \pm 0.38$ GeV, CMS에서 얻음)이 분석에 통합되어 이전 평균치로 대체된다.
• 일차원 $\Delta\chi^2$ 분포와 모든 윌슨 계수에 대한 95% 신뢰수준 허용 범위를 도출하기 위해 $\chi^2$ 기반의 마진화 기법을 사용한다.
• 이 분석은 새로운 $M_W$와 $m_t$ 값에 의한 영향을 분리하기 위해 이전 표준 평균과의 비교를 수행한다.
• 상관 행렬과 $\Delta\chi^2$ 스캔을 사용하여 특히 $S$-$T$ 평면과 21차원 매개변수 공간에서 허용 영역의 이동을 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 CDF-II 측정값인 $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV는 HISZ 기저에서 전역 SMEFT 피팅에 어떻게 영향을 미치며, 특히 $S$-$T$ 평면에서 어떤가?
• RQ2 업데이트된 $M_W$와 $m_t$ 값은 전자약력 정밀도 데이터로 직접 제약되지 않는 개별 SMEFT 윌슨 계수의 허용 범위를 얼마나 이동시키는가?
• RQ3 $M_W$ 편차가 STXS 힉스 및 이보손 데이터를 포함한 전역 피팅에서도 지속되는가? 그리고 $f_{BW}$, $f_{\Phi,1}$, $f^{(1)}_{\Phi,e}$의 제약 조건은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 새로운 $M_W$와 $m_t$ 값을 통합할 경우 윌슨 계수 간 상관관계는 어떻게 변화하며, 잠재적 새로운 물리학 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 새로운 $M_W$가 네 레프톤 연산자 계수 $f_{LLLL}$에 미치는 정량적 영향은 무엇이며, 왜 이 이동은 매우 작게 나타나는가?

주요 결과

• 새로운 CDF-II $M_W$ 측정값은 $S$-$T$ 평면의 제약 영역을 양의 $T$ 쪽으로 이동시켜 표준모형(SM) 예측($T = 0.197 \pm 0.065$)으로부터 약 $3\sigma$의 편차를 초래한다.
• EWPD에 대한 여덟 매개변수 SMEFT 피팅에서 윌슨 계수 $f_{BW}/\Lambda^2 = 0.220 \pm 0.511$ TeV$^{-2}$와 $f_{\Phi,1}/\Lambda^2 = -0.026 \pm 0.045$ TeV$^{-2}$는 $1\sigma$ 범위 내에서 여전히 0과 호환되지만, 새로운 $M_W$와 $m_t$ 값으로 인해 유의미한 이동을 보인다.
• 다른 페르미온 연산자 중에서 영향을 크게 받는 것은 ${\cal O}^{(1)}_{\Phi,e}$ 뿐이며, $f^{(1)}_{\Phi,e}/\Lambda^2 = -0.002 \pm 0.021$ TeV$^{-2}$로, 주로 업데이트된 $m_t$에 의해 영향을 받는다.
• STXS 힉스 및 이보손 데이터를 포함한 전역 피팅에서 유의미한 이동을 보이는 것은 오직 $f_{BW}$, $f_{\Phi,1}$, $f^{(1)}_{\Phi,e}$뿐이며, 나머지 모든 계수는 새로운 $M_W$와 $m_t$ 값의 영향을 거의 받지 않는다.
• $f_{LLLL}/\Lambda^2 = 0.013 \pm 0.014$ TeV$^{-2}$는 새로운 $M_W$와 $m_t$의 효과가 상쇄되어 매우 작은 이동을 보이며, 여전히 0과 호환된다.
• 전역 피팅에서 모든 윌슨 계수의 95% 신뢰수준 허용 범위는 여전히 표준모형과 호환되며, 95% 신뢰수준에서 어떤 계수도 배제되지 않아 현재 정밀도 이내에서 새로운 물리학에 대한 강력한 증거는 없다.