[논문 리뷰] Interpreting the $W$-mass anomaly in the vectorlike quark models

Junjie Cao, Lei Meng외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 7σ 이격을 설명하기 위해 일곱 종류의 벡터형 쿼크(VLQ) 확장을 조사한다. 이 중 세 가지 VLQ 모형이 옹성 매개변수, LHC 탐색, 톰 쿼크 및 힉스 보손 측정, 그리고 양자역학적 수렴성 조건을 모두 만족하면서 비정상적인 현상을 일관되게 설명할 수 있음을 발견했다. 이들 모형의 요크 상수는 1에 가까운 값을 가지며, 이는 표준모형 내 톰 쿼크의 요크 상수와 유사하다.

ABSTRACT

The new measurement of $W$-boson mass by the CDF collaboration revealed a remarkable $7σ$ disagreement with the Standard Model (SM) prediction. If confirmed by other experiments, then the disagreement strongly indicates the existence of new physics beyond the SM. In this work, seven vectorlike quark (VLQ) extensions of the SM are investigated to interpret the anomaly, and it is found that three can explain the anomaly in broad parameter space. The explanations are consistent with the constraints from oblique parameters, the LHC search for VLQs, the measurements of the properties for the top quark, bottom quark, and Higgs boson, and the perturbativity criterion. The typical size of the involved Yukawa coupling is around 1, which is comparable to the top quark Yukawa coupling in the SM. The other extensions, however, either predict a negative correction to the mass in reasonable parameter space or explain the anomaly by unnatural theoretical input parameters.

연구 동기 및 목표

• CDF 협동작업이 측정한 W 보손 질량의 7σ 이격을 설명하기 위해 표준모형 예측을 초월하는 원인을 규명한다.
• 표준모형의 벡터형 쿼크(VLQ) 확장이 기존 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서 비정상 현상을 설명할 수 있는지 평가한다.
• 옹성 매개변수, LHC 탐색, 톰 쿼크 및 힉스 보손 측정, 그리고 양자역학적 수렴성과 일관된 타당한 VLQ 모형을 규명한다.
• 제안된 모형에서 요구되는 요크 상수의 자연스러움을 평가한다.

제안 방법

• 표준모형의 일곱 가지 다른 벡터형 쿼크(VLQ) 확장을 체계적으로 분석한다.
• 일중 양자보정을 사용하여 VLQ에 의해 유도되는 W 보손 질량 보정을 계산한다.
• 옹성 매개변수(S, T) 제약 조건을 적용하여 물리적으로 비합리적인 전자약력 정밀도 보정을 제거한다.
• LHC에서의 VLQ, 톰 쿼크, 바텀 쿼크, 힉스 보손 성질에 대한 탐색 결과와 모델의 타당성을 대조 검증한다.
• 요크 상수가 양자역학적 수렴성 범위 내에 유지되도록 수렴성 기준을 적용한다.
• 특히 단위 근처의 값에 가까운 요크 상수의 자연스러움을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 벡터형 쿼크 모형이 현재의 실험 제약 조건과 일치하면서도 7σ W 보손 질량 이격을 설명할 수 있는가?
• RQ2 타당한 모형들이 관측된 W 보손 질량 보정을 생성하기 위해 비자연스럽거나 민감한 매개변수 조정이 필요한가?
• RQ3 타당한 모형에서 요구되는 요크 상수의 일반적인 크기는 얼마이며, 표준모형 내 톰 쿼크 요크 상수와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 합리적인 매개변수 영역 내에서 W 보손 질량에 대해 음의 보정을 유도하지 않으면서도 이 비정상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 어떤 VLQ 모형도 옹성 매개변수 제약 조건과 일치하지 않거나 너무 큰 보정을 예측하는가?

주요 결과

• 세 가지 벡터형 쿼크 모형이 옹성 매개변수 제약 조건과 일관되게 W 보손 질량 이격을 성공적으로 설명한다.
• 타당한 모형들은 약 1에 가까운 요크 상수를 예측하며, 이는 표준모형 내 톰 쿼크 요크 상수와 유사하다.
• 이들 모형은 관측된 W 보손 질량 보정을 생성하기 위해 비자연스럽거나 민감한 입력 매개변수를 요구하지 않는다.
• 남은 네 가지 VLQ 모형은 물리적으로 허용 가능한 매개변수 영역 내에서 음의 보정을 예측하거나, 비정상적인 매개변수 값을 요구하여 이 비정상 현상을 설명해야 한다.
• 모든 타당한 모형은 수렴성 기준을 충족하여 이론이 양자역학적 수렴 영역 내에 유지됨을 보장한다.
• 이들 모형은 LHC에서의 VLQ 탐색 결과뿐 아니라, 톰 쿼크, 바텀 쿼크 및 힉스 보손 성질에 대한 측정 결과와도 일치한다.