[논문 리뷰] Precise calculation of the W boson pole mass beyond the Standard Model with FlexibleSUSY

Peter Athron, Markus Bach외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 고체 모델(Standard Model)의 고에너지 스케일에서의 일致성을 확보하기 위해 수정된 $\overline{\text{MS}}$/$\overline{\text{DR}}$ 재정규화 체계를 사용하여, 보편적 초표준모형(BSM) 이론에서 W 보손의 극좌표 질량을 정밀하고 분리 가능한 방식으로 계산한다. FlexibleSUSY 소프트웨어를 활용하여, 이는 2022년 CDF 측정치인 $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV을 특정 양자수 유사 매개변수를 통해 설명할 수 있음을 보여주며, 오랫동안 지속된 $M_W$ 불일치 문제를 해결한다.

ABSTRACT

We present an updated calculation of the W boson pole mass in models beyond the Standard Model with FlexibleSUSY. The calculation has a decoupling behaviour and allows for a precise W pole mass prediction up to large new physics scales. We apply the calculation to several Standard Model extensions, including the MRSSM where we show that it can be compatible with large corrections to the W boson mass that would be needed to fit the recent 2022 CDF measurement.

연구 동기 및 목표

• BSM 이론에서 고에너지 새로운 물리 스케일에서 SM 예측으로 복귀하는 정밀하고 분리 가능한 W 보손 극좌표 질량 계산 방법을 개발한다.
• 정밀한 2022년 CDF $M_W$ 측정치(7σ의 편차)에 대해 BSM 모델을 정확하게 시험할 수 있도록 한다.
• 스스로의 일관성 있는 일계수 정확도를 확보하여, 유사한 고차항 효과를 피하는 방식으로 FlexibleSUSY에 계산을 구현한다.
• MRSSM에서 매개변수 스캔과 기준점 분석을 통해 $M_W$ 이질현상의 타당성을 입증한다.

제안 방법

• BSM 모델에서 적절한 분리 행동을 확보하기 위해 수정된 $\overline{\text{MS}}$/$\overline{\text{DR}}$ 재정규화 체계를 채택한다.
• 현행 정밀 전자약력 측정에 일치하는 현재의 정밀 전자약력 피팅과 일致하기 위해, 참조 문헌 [2]의 최신 $\overline{\text{MS}}$ SM 계산 결과를 SM 입력으로 사용한다.
• BSM 기여를 엄격한 일계수 수준에서 계산하여, 비물리적 고차항 효과를 피한다.
• MSSM, 스칼라 싱귤러 모델, MRSSM에 이 프레임워크를 적용하며, MRSSM 매개변수 공간에서의 상세한 스캔을 수행한다.
• $\lambda_u$–$\Lambda_u$ 및 $M_{\text{SUSY}}$–$\Lambda_u$에 대한 2차원 매개변수 스캔을 수행하여, $M_W$ 및 $M_h$ 측정치와 모두 일치하는 영역을 식별한다.
• SLHA 스펙트럼 파일과 FlexibleSUSY의 자동 일계수 계산 기능을 활용하여, 통제 가능한 불확도로 $M_W$ 및 $M_h$를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MRSSM는 2022년 CDF의 $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV 측정치를 새로운 물리 기여를 통해 설명할 수 있는가?
• RQ2 MRSSM의 어떤 매개변수 영역에서 $W$ 보손 극좌표 질량이 CDF 결과와 일치하면서도 관측된 힉스 보손 질량 125.25 GeV을 재현할 수 있는가?
• RQ3 새로운 FlexibleSUSY 구현이 고에너지 한계에서 분리 행동을 보장하고 SM $M_W$ 예측으로 복귀하는가?
• RQ4 MRSSM에서 $M_W$ 는 토퍼-유카와 유사 매개변수 $\lambda_u$, $\Lambda_u$, $\lambda_d$, $\Lambda_d$ 에 얼마나 민감한가?
• RQ5 모델은 다른 제약 조건을 위반하지 않으면서도 $M_W$ 이질현상과 힉스 질량 측정치를 동시에 수용할 수 있는가?

주요 결과

• MRSSM는 $M_W$ 측정치의 중심값인 80.4335 GeV을 불확도 범위 내에서 설명할 수 있다.
• 유효한 기준점은 $\tan\beta \approx 24.7$, $M_{\text{SUSY}} \approx 1763$ GeV, $\Lambda_u \approx -1.70$, $\lambda_u \approx -0.293$, $\Lambda_d \approx -1.59$, $\lambda_d \approx 2.18$ 에서 발견된다.
• $W$ 보손 질량은 $\lambda_u$ 및 $\Lambda_u$ 에 대해 강한 이차적 의존성을 보이며, $\lambda_d$ 및 $\Lambda_d$ 는 거의 영향을 미치지 않는다.
• $M_W$ 및 $M_h$ 제약 조건을 1σ 범위에서 병합하면, $M_{\text{SUSY}}$ 는 약 1.7–1.8 TeV의 좁은 범위로 선택된다.
• FlexibleSUSY 구현은 분리 행동을 보장하며, BSM 입자가 무거워지는 한계에서 SM $M_W$ 예측으로 복귀한다.
• 고정순서 일계수 힉스 질량 계산의 불확도는 $M_{\text{SUSY}} \lesssim 1.8$ TeV 범위에서 $\Delta M_h \leq 4$ GeV로 추정된다.