[논문 리뷰] The $W\ellν$-vertex corrections to W-boson mass in the R-parity violating MSSM

Min-Di Zheng, Feng-Zhi Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 R-포탄 위반 최소 초대칭 표준모형(RPV-MSSM)에서 $W$-보손 질량 보정을 조사하며, 주로 $\lambda^\prime$에 의해 유도되는 $W\ell\nu$ 점검 보정에 초점을 맞춘다. 이 보정들은 단독으로 CDF-II의 $7\sigma$ 이질성을 완전히 설명할 수는 없지만, 기울기 보정과 조합될 경우 현재 실험적 한계 내에서 $m_W$ 측정치와의 일치를 도와주며, 현재 실험적 제약 조건 내에서 타당한 새로운 물리학(NP) 설명을 제공한다.

ABSTRACT

Inspired by the astonishing $7σ$ discrepancy between the recent CDF-II measurement and the standard model prediction on the mass of $W$-boson, we investigate the $λ'$-corrections to the vertex of $μ oν_μe\bar{ν_e}$ decay in the context of the $R$-parity violating minimal supersymmetric standard model. These corrections can raise the $W$-boson mass independently. Combined with recent $Z$-pole and kaon decay measurements, $m_W \lesssim 80.37$ GeV can be reached. We find that these vertex corrections cannot explain the CDF result entirely at the $2σ$ and even $3σ$ levels. However, these corrections together with the oblique contributions can be accordant with the CDF-II result and relevant bounds at the $3σ$ level.

연구 동기 및 목표

• CDF-II의 $W$-보손 질량 측정치와 표준모형(SM) 예측 간의 $7\sigma$ 이질성을 설명할 수 있는가를 조사하기 위해 RPV-MSSM에서 $\lambda^\prime$에 의해 유도되는 $W\ell\nu$ 점검 보정을 연구한다.
• 기울기 보정과 독립적으로 이러한 점검 보정이 $W$-보손 질량 증가의 원천으로서의 타당성을 평가한다.
• RPV-MSSM에서 $\lambda^\prime$ 점검 보정과 기울기 보정의 조합 효과가 CDF-II 측정치를 실험적 제약 조건 내에 수용할 수 있는지 확인한다.
• $Z$-점과 케이온 붕괴 측정치를 사용하여 $\lambda^\prime$ 결합의 매개변수 공간을 제약한다.

제안 방법

• 연구는 RPV-MSSM에서 $\lambda^\prime\hat{L}\hat{Q}\hat{D}$ 초대칭 스케일러 페어워크 항에 의해 유도되는 1-루프 $W\ell\nu$ 점검 보정을 계산한다.
• 관계식 $m_W^2/m_Z^2 = \frac{1}{2} + \sqrt{\frac{1}{4} - \frac{\pi\alpha}{\sqrt{2}G_\mu m_Z^2}(1 + \Delta r)}$ 를 사용하여 $m_W$ 를 $\Delta r$ 보정과 연결하며, 이는 SM 및 새로운 물리학(NP) 기여로 분해된다.
• NP 기여 $\Delta r$ 는 자기에너지($h^s$), 점검($h^v$), 상자($h^b$) 보정으로 나뉘며, $h^v$ 는 주로 $\lambda^\prime$-중개된 도형에 의해 지배된다.
• 수치 결과는 Feyhiggs-2.18.1를 사용하여 벤치마크 MSSM 매개변수에 대해 $h^s$ 를 계산하고, $h^v$ 는 분석적으로 $h^\prime_{aa} \propto x_t f_W(x_t) |\tilde{\lambda}^\prime_{a33}|^2$ 로 유도한다.
• $Z$-점과 케이온 붕괴 제약 조건 내에서 $h^s$ 와 $h^v$ 의 조합 효과를 평가하며, $M_{\tilde{Q}_3}, M_{\tilde{U}_3}, M_{\tilde{D}_3}, A_t, A_b$ 에 대한 매개변수 스캔을 수행한다.
• 모델의 예측은 CDF-II의 $m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV 와 SM 예측값인 $m_W^{\rm SM} = 80.357 \pm 0.006$ GeV 에 대해 $2\sigma$ 와 $3\sigma$ 수준에서 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\lambda^\prime$에 의해 유도되는 RPV-MSSM의 $W\ell\nu$ 점검 보정이 CDF-II 이상 현상을 설명할 수 있을 정도로 $W$-보손 질량을 충분히 높일 수 있는가?
• RQ2 이러한 점검 보정만으로는 $2\sigma$ 와 $3\sigma$ 수준에서 $m_W$ 이질성과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 RPV-MSSM에서 $\lambda^\prime$ 점검 보정과 기울기 보정의 조합이 CDF-II의 $m_W$ 측정치를 설명하면서도 $Z$-점과 케이온 붕괴 제약 조건을 만족할 수 있는가?
• RQ4 $m_W$ 증가를 실험적 제약 조건 내에서 가능하게 하는 $\tilde{\lambda}^\prime_{a33}$ 결합의 허용 가능한 매개변수 공간은 무엇인가?

주요 결과

• 순수한 $\lambda^\prime$에 의해 유도되는 $W\ell\nu$ 점검 보정만으로는 CDF-II의 $W$-보손 질량 측정치를 $2\sigma$ 수준에서 설명할 수 없으며, $3\sigma$ 수준에서도 실패한다.
• 점검 보정은 $m_W$ 에 약 $0.0742 \times x_t f_W(x_t) |\tilde{\lambda}^\prime_{a33}|^2$ GeV 의 증가 기여를 한다. 여기서 $x_t = m_t^2 / m_{\tilde{t}}^2$ 이다.
• 기울기 보정($h^s \approx -8 \times 10^{-4}$)과 조합될 경우, 모델은 $Z$-점과 케이온 붕괴 제약 조건의 $3\sigma$ 허용 영역 내에서 약 80.38 GeV 수준의 $m_W$ 를 생성할 수 있다.
• CDF-II 결과를 설명할 수 있는 $3\sigma$-호환 영역은 $m_W^{\rm CDF}$ 측정치 범위의 상단 가장자리 근처의 좁은 겹침 영역에서만 존재한다.
• 기준점으로서 $M_{\tilde{Q}_3} = 2.1$ TeV, $M_{\tilde{U}_3} = 10$ TeV, $A_t = A_b = 1.5$ TeV 를 사용할 경우, $m_W^{\rm NP} \approx 80.370 + 0.0742 x_t f_W(x_t) |\tilde{\lambda}^\prime_{a33}|^2$ GeV 로 계산되며, 기울기 효과와 조합될 경우 $3\sigma$ 수준에서 $m_W^{\rm CDF}$ 와 일치한다.
• 이 연구는 $\lambda^\prime$ 점검 보정이 단독으로는 부족하지만, RPV-MSSM 프레임워크 내에서 다른 NP 기여와 조합될 경우 $m_W$ 이상 현상을 설명하는 데 보완적인 역할을 할 수 있음을 확인한다.