[논문 리뷰] Type III seesaw with R-parity violation in light of $m_W$ (CDF)

Anish Ghoshal, Nobuchika Okada외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 CDF에서 측정한 W 보손 질량($m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV)이 표준모형 예측과 7σ의 편차를 보이는 것을 설명하기 위해 R-대칭 위반을 수반한 MSSM의 유형 III 시즈모 확장 모델을 제안한다. 이 모델은 R-대칭 위반 항을 통해 스칼라 삼중항의 유도된 진공 기대값을 통해 $m_W$에 나무단계 보정을 생성하며, CDF와 LEP $\rho$-파라미터 데이터 모두에 $2\sigma$ 일치를 달성한다. 또한 몇 GeV 범위의 장수명 중성광자질량을 암흑물질 후보로 예측한다.

ABSTRACT

Motivated by the recently reported measurement of the $W$ boson mass $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV by the CDF collaboration, we propose a type III seesaw extension of the minimal supersymmetric standard model (MSSM) which also includes an R-parity violating term. Without taking potential SUSY radiative corrections into account, we show that the CDF measurement of $M_W$ and the LEP measurement of the $ρ$ parameter can be simultaneously accommodated at the $2 σ$ level. A long-lived gravitino in a few GeV mass range is a unique viable dark matter candidate in this framework.

연구 동기 및 목표

• CDF에서 측정한 $m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV와 표준모형 예측값인 $80.357 \pm 0.006$ GeV 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 큰 $m_W$ 편차를 LEP에서 측정한 $\rho$-파라미터($\rho = 1.0003 \pm 0.0005$)와 조율하기 위해, 이는 새로운 물리학을 제약하는 바이다.
• 유형 III 시즈모를 통해 중성미온 질량을 설명하고, 타당한 암흑물질 후보를 제공하는 최소한의 MSSM 확장 구조를 구축하기 위해.
• 게이지 매체화된 슈퍼대칭 붕괴와 $SU(5)$와 같은 대통일이론에의 통합 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 유형 III 시즈모를 구현하기 위해 두 개의 $SU(2)_L$ 삼중항 편재 초대칭장($\Delta_i$)을 도입하여, $m_\nu \sim Y_D^T Y_D v^2 / (2m_\Delta)$를 통해 가벼운 메이조라나 중성미온 질량을 생성한다.
• R-대칭 위반 항 $W_{\not R} = \sqrt{2}\lambda H_u^T \varepsilon \Delta_1 H_d$ 를 추가하여, $\langle \widetilde{\Delta}_1^0 \rangle = \frac{1}{2}\lambda A v_u v_d / m_\Delta^2$ 를 유도한다.
• 유도된 $v_\Delta \sim \mathcal{O}(1$ GeV)를 사용하여 $m_W^2$에 나무단계 보정을 생성함으로써, $m_Z^2$를 변화시키지 않으면서도 $m_W$를 증가시켜, $\rho$-파라미터 제약 조건을 유지한다.
• 중성미온 질량 생성과 충돌하지 않도록 R-대칭 위반 쿠퍼링이 $\varepsilon_k \sim (Y_D)^{1k} v_\Delta / \mu_H \lesssim 10^{-7}$ 수준으로 충분히 작게 유지된다.
• 수명이 긴 중성광자질량을 질량 $\sim$ 몇 GeV 범위로 식별하여, 비열적 냉각 암흑물질 후보로 제안하며, 이는 $\psi_{3/2} \to \gamma + \nu$ 반응을 통해 붕괴되며 수명 $\tau_{3/2} \sim 10^{30}$ 초이다.
• 모델을 $SU(5)$ GUT에 통합하고, 삼중항 메신저를 게이지 매체화된 슈퍼대칭 붕괴의 장으로 식별함으로써 게이지 매체화된 슈퍼대칭 붕괴와의 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R-대칭 위반을 수반한 MSSM의 유형 III 시즈모 확장은 CDF의 $m_W$ 측정값과 LEP의 $\rho$-파라미터 제약 조건을 동시에 충족시킬 수 있는가?
• RQ2 관측된 $m_W$ 편차를 설명하기 위해 필요한 유도된 진공 기대값 $v_\Delta$ 의 크기는 얼마인가?
• RQ3 R-대칭 위반 쿠퍼링은 유형 III 시즈모 메커니즘을 통해 중성미온 질량 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 몇 GeV 범위의 장수명 중성광자질량은 이 모델에서 타당한 비열적 냉각 암흑물질 후보로 기능할 수 있는가?
• RQ5 이 모델은 게이지 매체화된 슈퍼대칭 붕괴와 $SU(5)$에서의 대통일과 호환되는가?

주요 결과

• 모델은 CDF의 $m_W$ 측정값과 LEP의 $\rho$-파라미터 측정값 모두에 $2\sigma$ 일치를 달성하여, 두 측정값 간의 명백한 갈등을 해결한다.
• CDF의 $m_W$ 편차를 설명하기 위해 $v_\Delta \sim \mathcal{O}(1$ GeV) 가 필요하며, 이는 $m_\Delta \sim \mathcal{O}(10^6$ GeV) 일 때 $\lambda A \sim \mathcal{O}(10^{-3})$ GeV 에 해당한다.
• R-대칭 위반 쿠퍼링은 $\varepsilon_k \lesssim 10^{-7}$ 수준으로 제약되며, 이는 유도된 중성미온 질량이 진동 데이터와 일치함을 보장한다.
• Yukawa 쿠퍼링 $Y_D$ 는 $m_\Delta \lesssim 6 \times 10^6$ GeV 일 때 약 $\lesssim 10^{-4}$ 수준으로 추정되며, 이는 현상학적 제약 조건을 충족한다.
• 수명이 긴 중성광자질량이 질량 $\sim$ 몇 GeV 범위일 경우, 수명 $\tau_{3/2} \sim 10^{30}$ 초로, 타당한 비열적 냉각 암흑물질 후보로 기능한다.
• 모델은 게이지 매체화된 슈퍼대칭 붕괴와 $SU(5)$ GUT에의 통합과 호환되며, 인플레이션과 통합의 타당성을 유지한다.