[논문 리뷰] New physics interpretation of $W$-boson mass anomaly

Motoi Endo, Satoshi Mishima|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 관측된 $W$-보손 질량 이상현상—표준모형에서 7σ 이상 벗어난 것—이 새로운 물리학이 페르미 결합 상수 $G_F$ 에 영향을 미쳐 발생할 수 있다고 제안한다. 스칼라, 페르미온, 벡터와 같은 단일장 확장(Lepton 결합 포함)을 도입함으로써, 저항력의 4-페르미온 연산자 $\mathcal{O}_{\ell\ell}$ 또는 $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 에서의 새로운 물리학 기여가 $G_F$ 를 변화시켜 $M_W$ 를 수정할 수 있음을 보여준다. 주요 결과는 $\mathcal{O}_{\ell\ell}$ 에 대해 약 $0.02{-}0.03\,\mathrm{TeV}^{-2}$, $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 에 대해 $-(0.01{-}0.03)\,\mathrm{TeV}^{-2}$ 의 윌슨 계수는 $W$-보손 질량 불일치를 완화시킬 수 있으며, 특히 다수 테바르크의 새로운 입자와 순위 약 1의 결합 상수가 작용할 경우에 효과적이다.

ABSTRACT

The CDF collaboration has recently reported an updated result on the $W$-boson mass measurement, showing a $7σ$ deviation from the standard model prediction. The discrepancy may indicate new contributions to the Fermi coupling constant. We study simple extensions of the standard model by introducing an extra scalar, fermion or vector field. It is found that the tension implies the new physics existing in multi-TeV scales if the new coupling to the electron and/or muon is of order unity.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측에서 약 7σ 이상 벗어난 $W$-보손 질량 이상현상을 새로운 물리학이 페르미 결합 상수 $G_F$ 에 영향을 미쳐 설명하기 위해.
• 스칼라, 페르미온, 벡터와 같은 단일장 확장이 고차원 SMEFT 연산자를 통해 $G_F$ 를 어떻게 수정할 수 있는지 조사하기 위해.
• 플레버 유니버설 및 플레버 비유니버설 결합이 $W$-보손 질량과 전자약력 정밀 관측량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• LHC 및 향후 FCC-ee와 같은 충돌기에서 이러한 새로운 물리학의 탐지 가능성 평가를 위해 다중 레프톤 및 공명 신호에 초점을 맞추기 위해.
• 공통된 새로운 물리학 영역을 통해 $W$-보손 이상현상과 뮤온 $g-2$ 이상현상 간의 연결 고리 설정하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 효과적장이론(SMEFT) 기반의 형식화를 통해 전자약력 스케일 이상의 새로운 물리학을 차수 6 연산자를 통해 기술하기 위해.
• 핵심 SMEFT 연산자 식별: $\mathcal{O}_{\ell\ell} = (\bar{\ell}_i\gamma_\mu\ell_j)(\bar{\ell}_k\gamma^\mu\ell_l)$ 와 $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)} = (\phi^\dagger i\overset{\leftrightarrow}{D_\mu^a}\phi)(\bar{\ell}_i\gamma^\mu\sigma^a\ell_j)$ 는 $G_F$ 를 수정하고, 그로 인해 $M_W$ 를 변화시킴.
• 차원 없는 윌슨 계수 $\widehat{C}_i = v^2 C_i$ 정의, 여기서 $v$ 는 힉스 진공기대값이며, 새로운 물리학 효과를 측정 가능한 $G_F$ 의 이동과 연결하기 위해.
• $\delta_{G_F} = (\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)})_{11} + (\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)})_{22} - (\widehat{C}_{\ell\ell})_{1221}$ 계산을 통해 $G_F$ 의 이동을 정량화하기 위해.
• 전자약력 정밀 관측량(EWPO), $M_W$ 포함한 피팅을 통해 새로운 물리학 모델의 허용 가능한 매개변수 공간 제약하기 위해.
• 충돌기 탐색 능력 평가: $pp \to S,V \to \ell\ell$ 공명 탐색 및 LHC 및 향후 충돌기에서의 $pp \to E \to \ell\ell$ 다중 레프톤 신호 분석을 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 물리학 기여가 페르미 결합 상수 $G_F$ 에 영향을 미쳐 $W$-보손 질량 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 스칼라, 페르미온, 벡터와 같은 단일장 확장 중에서 $M_W$ 불일치를 해결하기 위해 필요한 $G_F$ 이동을 유도할 수 있는 것은 무엇인가?
• RQ3 플레버 비유니버설 결합이 플레버 유니버설 시나리오에 비해 $W$-보손 질량과 전자약력 정밀 관측량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존 실험 제약 조건을 만족하면서 $M_W$ 긴장 완화에 기여할 수 있는 새로운 입자의 질량 및 결합 스케일은 무엇인가?
• RQ5 $W$-보손 질량 이상현상을 설명하는 동일한 새로운 물리학 영역이 뮤온 $g-2$ 이상현상도 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• $W$-보손 질량 이상현상은 $\mathcal{O}_{\ell\ell}$ 에 대한 새로운 물리학 기여로 완화될 수 있으며, 이에 필요한 윌슨 계수는 약 $0.02{-}0.03\,\mathrm{TeV}^{-2}$ 이다.
• $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 연산자는 추가 레프톤 또는 벡터 보손에 의해 유도되며, 이는 $(11)$ 및 $(22)$ 성분에 대해 $\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)} \sim -(0.01{-}0.03)\,\mathrm{TeV}^{-2}$ 를 요구한다.
• 질량 $M_E = 1\,\mathrm{TeV}$ 인 새로운 레프톤 $E$ 의 경우, 이상현상을 해결하기 위해 필요한 결합 상수 $\lambda_E$ 는 약 $0.1{-}0.3$ 이다.
• $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 의 레프톤-플레버 유니버설 기여는 연구된 시나리오들 중에서 $M_W$ 불일치에 가장 잘 맞는다.
• 약 다수 테바르크 질량과 순위 약 1의 결합 상수를 지닌 새로운 스칼라 및 벡터 보손은 SM 쿼크와의 결합이 있다면 $pp \to S,V \to \ell\ell$ 공명 탐색을 통해 발견될 수 있다.
• 질량 $M_E \gtrsim 1\,\mathrm{TeV}$ 인 추가 레프톤은 LHC 런 2 에서 이미 제약을 받고 있으나, 향후 HL-LHC 및 고에너지 충돌기에서는 다수 테바르크 스케일을 탐색할 수 있다.