[논문 리뷰] Type II Dirac Seesaw with Observable $ΔN_{ m eff}$ in the light of W-mass Anomaly

Debasish Borah, Satyabrata Mahapatra외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 18.

Algebraic and Geometric Analysis인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 나무 단계에서 CDF W 보손 질량 비정상 현상과 동시에 경량 디рак 방식 중성자 질량을 설명할 수 있는 실수 스칼라 트리플렛을 포함한 타입 II 디락 시즈 모델을 제안한다. 이 모델은 열적 또는 비열적 생성된 오른쪽 수반 중성자로부터 효과적인 상대론적 자유도 수($\Delta N_{\rm eff}$)의 관측 가능한 증가를 예측하며, 향후 천체물리 실험을 통해 검증될 수 있다.

ABSTRACT

We propose a type II seesaw model for light Dirac neutrinos to provide an explanation for the recently reported anomaly in W boson mass by the CDF collaboration with $7σ$ statistical significance. In the minimal model, the required enhancement in W boson mass is obtained at tree level due to the vacuum expectation value of a real scalar triplet, which also plays a role in generating light Dirac neutrino mass. Depending upon the couplings and masses of newly introduced particles, we can have thermally or non-thermally generated relativistic degrees of freedom $ΔN_{ m eff}$ in the form of right handed neutrinos which can be observed at future cosmology experiments. Extending the model to a radiative Dirac seesaw scenario can also accommodate dark matter and lepton anomalous magnetic moment.

연구 동기 및 목표

• CDF 협력단이 측정한 W 보손 질량의 7σ 이격 현상을 초표준모형을 넘어서는 메커니즘으로 설명하기 위해.
• 실수 스칼라 트리플렛이 나무 단계에서 중성자 질량 생성과 W 보손 질량 증가를 동시에 담보하는 최소한의 디락 시즈 모델을 구성하기 위해.
• 열적 또는 비열적 생성으로 인한 오른쪽 수반 중성자에서 기인하는 추가적인 상대론적 자유도 수($\Delta N_{\rm eff}$)의 천체물리적 영향을 탐색하기 위해.
• 어두운 물질과 레프톤 이상 자기모멘트를 동시에 수용할 수 있는 반사성 시즈 시나리오로 모델을 확장하기 위해.
• 특히 S 및 T 매개변수를 중심으로 전자기약력 정밀 관측치와의 일치성을 평가하고 $\theta_W$ 측정치와의 갈등을 줄이기 위해.

제안 방법

• 실수 스칼라 트리플렛 $\Omega$ 를 도입하여, 나무 단계에서 W 보손 질량에 기여하는 진공 기대값(Vacuum Expectation Value, VEV)을 제공함으로써 CDF 이상 현상에 대응한다.
• 나무 단계에서 메이저라 질량 항을 금지하고 렙톤 수량 보존을 보장하기 위해 부드럽게 깨진 $Z_2$ 대칭을 구현한다.
• 벡터-유사 페르미온 듀엣 $\Psi$ 와 양자역학 결합 상수를 사용하여, 차원 6 연산자를 통해 타입 II 시즈 메커니즘을 실현함으로써 경량 디락 중성자 질량을 생성한다.
• 결합 상수와 질량에 따라 열적 또는 비열적 생성 메커니즘을 고려하여 오른쪽 수반 중성자가 기여하는 효과적인 상대론적 자유도 수 $\Delta N_{\rm eff}$ 를 계산한다.
• 추가적인 스칼라 듀엣과 페르미온 싱เก터를 도입하여 반사성 시즈 메커니즘을 실현하고, 어둠의 물질을 싱เก터-듀엣 디락 페르미온으로 가능하게 하며 이국적 자기모멘트를 생성한다.
• S 및 T 매개변수 제약 조건을 통한 모델의 현상학적 평가를 수행하여, 전자기약력 정밀 데이터와 어둠의 물질의 직접 탐지 제약 조건과의 일치성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실수 스칼라 트리플렛을 포함한 디락 시즈 모델이 나무 단계에서 CDF W 보손 질량 비정상 현상과 동시에 경량 중성자 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 모델에서 오른쪽 수반 중성자가 기여하는 $\Delta N_{\rm eff}$ 의 크기와 기원(열적 또는 비열적)은 무엇이며, 향후 천체물리 실험에서 관측 가능할까?
• RQ3 반사성 시즈 확장 버전에서 어둠의 물질이 싱게터-듀엣 디락 페르미온으로서 존재할 수 있으며, 직접 탐지 및 잔류 밀도 제약 조건과 일치하는가?
• RQ4 스칼라 듀엣과 트리플렛이 S 및 T 매개변수에 기여함으로써 CDF W 보손 질량 비정상 현상과 LEP에서의 $\theta_W$ 측정치 간의 갈등은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 큰 양자역학 결합 상수를 통해 전자 및 뮤온의 이국적 자기모멘트를 생성할 수 있는가? 이 경우 다른 현상학적 제약 조건을 위반하지는 않는가?

주요 결과

• 실수 스칼라 트리플렛의 진공 기대값을 통한 나무 단계에서의 W 보손 질량 증가가 실현되어, CDF 측정치인 $M_W = 80433.5 \pm 9.4$ MeV 와 일치한다.
• 벡터-유사 페르미온 듀엣에서 기인하는 오른쪽 수반 중성자는 열적 또는 비열적 생성을 통해 $\Delta N_{\rm eff}$ 를 생성할 수 있으며, 플랑크 2018 데이터로 제약을 받지만 향후 CMB 실험에서 관측 가능할 수 있다.
• 모델은 $Z_2$-홀드 페르미온의 고리에서 S 매개변수에 대해 $\mathcal{O}(10^{-4})$, T 매개변수에 대해 $\mathcal{O}(10^{-7})$ 의 기여를 예측하며, 전자기약력 정밀 데이터와 일치한다.
• 반사성 시즈 확장에서 스칼라 듀엣과 페르미온 싱게터를 포함함으로써 질량이 수백 GeV 이하인 싱게터-듀엣 디락 페르미온 어둠의 물질 후보가 실현 가능하며, 관측된 잔류 밀도와 일치한다.
• 모델은 양자역학 결합 상수가 약 1 수준일 경우 전자 및 뮤온의 이국적 자기모멘트를 생성할 수 있으며, 직접 탐지 및 $g-2$ 측정치 등 다른 제약 조건과도 호환된다.
• 트리플렛(나무 단계)과 스칼라 듀엣(일주위)의 T 매개변수 기여가 합쳐져 CDF W 보손 질량 비정상 현상과 LEP에서의 $\theta_W$ 측정치 간의 갈등을 줄이며, 보다 일관된 전자기약력 피팅을 가능하게 한다.