[논문 리뷰] Oblique Lessons from the $W$ Mass Measurement at CDF II

Pouya Asadi, Cari Cesarotti외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 oblique 매개변수 S, T, U를 사용하여 최근 CDF II $W$-mass 측정을 반영한 전자약-약력 적합을 수행하고, 데이터가 비제로 oblique 보정—특히 양의 $T$(및 잠재적으로 큰 $U$)—를 선호한다는 것을 발견하며, 이러한 변위를 실현할 수 있는 간단한 BSM 모델들을 탐구한다.

ABSTRACT

The CDF collaboration recently reported a new precise measurement of the $W$ boson mass $M_W$ with a central value significantly larger than the SM prediction. We explore the effects of including this new measurement on a fit of the Standard Model (SM) to electroweak precision data. We characterize the tension of this new measurement with the SM and explore potential beyond the SM phenomena within the electroweak sector in terms of the oblique parameters $S$, $T$ and $U$. We show that the large $M_W$ value can be accommodated in the fit by a large, nonzero value of $U$, which is difficult to construct in explicit models. Assuming $U = 0$, the electroweak fit strongly prefers large, positive values of $T$. Finally, we study how the preferred values of the oblique parameters may be generated in the context of models affecting the electroweak sector at tree- and loop-level. In particular, we demonstrate that the preferred values of $T$ and $S$ can be generated with a real SU(2)$_L$ triplet scalar, the humble "swino," which can be heavy enough to evade current collider constraints, or by (multiple) species of a singlet-doublet fermion pair. We highlight challenges in constructing other simple models, such as a dark photon, for explaining a large $M_W$ value, and several directions for further study.

연구 동기 및 목표

• 새로운 CDF II $W$-mass 측정이 SM 전자약 약력 적합에 미치는 영향을 평가한다.
• CDF II 값과 SM 사이의 긴장을 oblique 매개변수 공간 $(S,T,U)$에서 기술한다.
• 선호되는 oblique 매개변수 공간을 간단한 표준모형 확장(BSM) 시나리오로 매핑한다.
• 나무-또는 루프-레벨의 새로운 물리학이 필요한 $S$와 $T$ 값을 생성하면서 제약들을 회피할 수 있는지 조사한다.

제안 방법

• BSM 효과를 oblique 보정 $S$, $T$, $U$와 전자약 관측치에 대한 선형 영향으로 매개화한다.
• 다섯 가지 핵심 관측치와 $S$, $T$, $U$(일반적으로 $U$는 고정)로 최소화하는 전역 전자약 적합을 수행한다.
• 입력 W-질량 시나리오를 여러 가지로 평가한다: CDF II 값, 세계 평균 조합, 그리고 PDG 2020 값.
• $ ho$-유사 관계와 파생 관측치를 계산하기 위해 두 루프 EW 결과와 $M_W$, $ar{ au}$ 및 관련 양의 파라미터화된 $ abla r$를 사용한다.
• 다양한 입력 $M_W$에 대해 $(S,T)$ 평면(및 관련 평면)에서 2-시그마 영역을 얻기 위해 잡음 관측치를 주변화한다.
• 간단한 BSM 구현을 탐색한다(실수 SU(2)$_L$ 삼중항 swino, 다크 포톤, singlet-doublet 페르미온)가 적합된 $(S,T,U)$ 값과의 호환성을 평가한다.
• $U$를 자유롭게 두는 경우의 영향과 모델 빌딩에 대한 함의를 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF II $W$-mass 측정이 전역 전자약 적합에서 oblique 매개변수 $S$, $T$, $U$의 선호 값을 어떻게 바꾸는가?
• RQ2 관찰된 $M_W$의 시프트가 비제로 $S$와 $T$(단, $U=0$)로 설명될 수 있는가, 아니면 큰 $U$가 필요한가?
• RQ3 다음과 같은 간단한 표준모형 확장 시나리오가 다른 정밀 관측치 및 충돌 실험 제약과 충돌하지 않으면서 필요한 $S$와 $T$(그리고 가능하면 $U$)를 생성할 수 있는가?
• RQ4 이러한 모델에서 EW 적합 선호를 재현하는 매개변수 공간은 무엇인가(예: swino 삼중항, singlet-doublet 페르미온)?
• RQ5 현재 또는 향후 충돌기에서 이러한 설명을 테스트할 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• CDF II $W$-mass 측정은 데이터에 대한 SM 적합을 크게 악화시키며, 포함될 때 p-값이 낮다.
• $S$와 $T$를 자유롭게 두면 CDF II 입력에 대해 큰 양의 $S$와 $T$ 값으로 잘 맞으며, 반면 PDG 세계 평균 값은 거의 $(S,T)\u2250(0,0)$ 근처에 남아 있다.
• $U$를 0으로 고정하면 적합은 $(S,T)$가 (CDF-II 세계 평균)에서 거의 (0.15,0.24) 또는 (CDF-II 전체 시스템오믹스)에서 (0.17,0.27) 근처를 선호하며 SM 점에서 벗어난다.
• $U$를 자유롭게 두면 최적점이 $(S,T,U)\u0013(0.03,0.05,0.19)$로 이동하며, 모든 적합에서 $Cchi^2/Cd.o.f.E  0.99$를 달성한다.
• 큰 양의 $U$는 $W$-mass 시프트를 설명할 수 있지만, 이는 섭동모형에서 도전적이며 양자 수호-대칭(custodial-symmetry)을 위반한다.
• 구체적 BSM 구현 예로: (i) $Y=0$인 실수 SU(2)$_L$ 삼중항 스위노(real swino)로 양의 $T$와 양호한 $S$를 제공하며 TeV 규모에서 가능성; (ii) singlet-doublet 페르미온 모델은 루프 레벨에서 기여하지만 다른 제약에 의해 엄격히 제약됨; (iii) 다크 포톤 또는 간단한 스칼라 singlet/doublet 확장은 이상현상을 설명하기 어렵다.