[논문 리뷰] New $W$-Boson mass in the light of doubly warped braneworld model

Basabendu Barman, Ashmita Das외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 03.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 최근 CDF 연합이 측정한 $W$-보손 질량 초과(표준모형 예측보다 76 MeV 높음)를 6차원 이중으로 비틀린 브레인월드 모형 내에서 설명할 수 있음을 제안한다. 모든 표준모형 장을 부스러기 안에 두고 두 개의 비틀림 스케일을 활용함으로써, 관측 가능한 브레인에서 부스러기 $W$ 보손의 최저 레벨 칼루차-클라인 모드는 관측된 질량인 $80,433.5 \pm 9.4$ MeV를 자연스럽게 획득하며, 중간 에너지 스케일을 도입하지 않고도 게이지 위계 문제의 해결을 유지한다.

ABSTRACT

The recent observation by CDF collaboration has disclosed a modification in the mass of the $W$ boson. In this regard we show that this modification in the mass of the $W$ boson can be well explained in the background of a 6-dimensional warped geometry model, where the double warping is associated with the two extra spatial dimensions. We consider that all the Standard Model fields are residing in the bulk, where the bulk Higgs field gives rise to the spontaneous symmetry breaking in the 6-dimensional spacetime. Allowing a little hierarchy between the two moduli we exactly obtain the observed mass for the $W$ boson, which is identified as the lowest lying Kaluza-Klein mass mode of the bulk $W$ boson on the $(3+1)$ dimensional visible brane. The essential feature of the 5-dimensional Randall-Sundrum scenario such as the resolution of the gauge hierarchy problem without introducing any intermediate scale between the Planck and the TeV scale, remains intact.

연구 동기 및 목표

• CDF 연합이 측정한 $W$-보손 질량의 76 MeV 초과를 표준모형 예측에서 $7\sigma$ 만큼 벗어나게 하는 것을 설명하기 위해.
• 플랑크 스케일과 테브 스케일 사이의 중간 스케일을 도입하지 않고도, 두 개의 추가 공간 차원을 가진 6차원 비틀린 기하학 모형이 관측된 $W$-보손 질량을 자연스럽게 생성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 관측 가능한 브레인에서 비틀림 인자에 의해 위계 문제를 해결하면서도 정밀 전자약력 측정과 테바트론의 KK 상태에 대한 제약 조건과의 호환성을 유지하기 위해.
• 특히 모듈라 비율의 조정을 통해 모델의 매개변수 공간이 관측된 CDF 측정치를 정밀하게 재현할 수 있으며, 미세조정 없이도 가능함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 평탄한 $(3+1)$차원 브레인을 가진 6차원 이중으로 비틀린 기하학 모형을 사용하여, 랜드all-선드루 스펙트럼을 두 개의 추가 차원으로 확장한다.
• 허브스 필드를 포함한 모든 표준모형 장을 부스러기 안에 두어 6차원 시공간에서의 자발적 대칭 붕괴를 허용한다.
• 칼루차-클라인 감소를 사용하여 $W$ 보손의 질량 스펙트럼을 계산하고, 관측 가능한 브레인에서 물리적 $W$ 보손으로서 최저 레벨의 KK 모드를 식별한다.
• 관측된 $W$-보손 질량을 재현하기 위해 두 개의 모듈라 매개변수—$k \sim 0.25$ 와 계층성 $R_y / r_z \sim \mathcal{O}(10)$—를 조정한다.
• Bhaumik과 SenGupta(2022)의 방법을 따르며, 6차원에서 골드버거-위즈 안정화 메커니즘을 적용하여 두 모듈라를 자연스럽게 안정화시키며 불필요한 미세조정을 피한다.
• 같은 매개변수 조합 하에서 최종적으로 도출된 게이지 커플링, KK 질량, 정밀 전자약력 제약 조건이 모두 만족됨을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부스러기 내 표준모형 장을 가진 6차원 이중으로 비틀린 브레인월드 모형이 CDF II의 $W$-보손 질량 측정치인 $80,433.5 \pm 9.4$ MeV를 재현할 수 있는가?
• RQ2 이 모형이 중간 스케일을 도입하지 않고도 관측 가능한 브레인에서 $\sim 10^{-16}$ 수준의 비틀림 인자로 위계 문제를 해결하는가?
• RQ3 이 모형이 정밀 전자약력 제약 조건과 테바트론의 KK 상태에 대한 제약 조건을 만족하면서도, 표준모형 예측보다 약 76 MeV 더 무거운 $W$-보손 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ4 6차원 기하학 내에서 두 모듈라 간의 통제 가능한 계층성에 의해 관측된 $W$-보손 질량이 달성될 수 있으며, 이는 미세조정 없이도 가능한가?

주요 결과

• 6차원 이중으로 비틀린 모형에서 부스러기 $W$ 보손의 최저 레벨 칼루차-클라인 모드는 CDF II에서 측정된 질량인 $80,433.5 \pm 9.4$ MeV를 실험적 불확도 범위 내에서 정확히 재현한다.
• 이 모형은 관측 가능한 브레인에서 $\sim 10^{-16}$ 수준의 비틀림 인자를 통해 위계 문제의 해결을 유지하며, 어떤 중간 에너지 스케일도 도입하지 않는다.
• 모듈라 간의 계층성 $R_y / r_z \sim \mathcal{O}(10)$ 와 함께 $k \sim 0.25$ 는 관측된 $W$-보손 질량을 생성하는 데 충분하다.
• 동일한 매개변수 조합 하에서 정밀 전자약력 제약 조건과 테바트론의 KK 상태에 대한 제약 조건을 만족하며, 이는 이전에 Das 등(2011)에서 보여진 lin.
• 6차원에서 골드버거-위즈 안정화 메커니즘이 모듈라 안정성을 보장하며, 불필요한 미세조정 없이도 선택된 매개변수 값의 타당성을 뒷받침한다.
• 이 틀은 고차원으로 일반화될 수 있으며, 다중 비틀림 추가 차원이 $W$-보손 질량 비정상 현상을 자연스럽게 설명할 수 있는 메커니즘을 제공할 수 있음을 시사한다.