[논문 리뷰] $W$-Boson Mass, Electroweak Precision Tests and SMEFT

JiJi Fan, Lingfeng Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 전자약정밀측정(EWPTs)에 기반한 표준모형(SM) 예측과 7σ의 편차를 보이는 CDF의 W 보손 질량 측정을 조사한다. SMEFT 프레임워크를 사용하여, 질량 이완의 주요 원인으로 차원 6 연산자 $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 를 규명하였으며, 이는 $c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01$ 의 계수를 요구하여, 나무단계 효과에서는 다수 테바르스케일, 루프단계 효과에서는 하위테바르스케일의 새로운 물리학을 시사한다.

ABSTRACT

Recently the CDF collaboration at the Tevatron reported a significant discrepancy between the direct measurement of the $W$-boson mass and its Standard Model (SM) prediction based on electroweak precision tests (EWPTs). In this paper we explore the potential origin of this discrepancy from physics beyond the SM. Explicitly, we work on a set of six-dimensional operators in the SM effective field theory (SMEFT) which are relevant to the EWPTs. By fitting to the data, we demonstrate that an upward shift in $m_W$ is driven by the operator $\mathcal{O}_{T}=\frac{1}{2}(H^{\dagger}\overset{ ext{$\leftrightarrow$}}{D}_μH)^2$ with a coefficient $c_T ({ m TeV}/Λ)^2 \gtrsim 0.01$. This suggests that the new physics scale favored by the CDF data should be multiple TeV for tree-level effects and sub TeV for loop-level effects. One simple example is to introduce a hypercharge-free electroweak triplet scalar which can raise the $c_T$ value at tree level. We also study the potential to further test the relevant SMEFT by measuring Higgs-coupling, $m_W$ and other EWPTs at future circular $e^-e^+$ colliders.

연구 동기 및 목표

• CDF의 직접 측정값인 $m_W$와 전자약정밀측정(EWPTs)에 기반한 표준모형(SM) 예측 사이의 7σ 불일치의 기원을 조사하기 위해.
• 이 격차가 SMEFT 프레임워크 내에서 표준모형을 초월한 물리학(BSM)에 의해 설명될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 다른 전자약정밀관측량(EWPOs)을 손상시키지 않으면서도 $m_W$에 상향 이완을 유도할 수 있는 특정 차원 6 연산자들을 규명하기 위해.
• 향후 $e^{-}e^{+}$ 충돌기, 예를 들어 FCC-ee와 CEPC가 제안된 SMEFT 연산자들을 시험하고 새로운 물리학 스케일을 제약하는 데의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 연구는 전자약정밀관측량과 관련된 일부 6차원 연산자에 초점을 맞춘 모형 독립적 SMEFT 접근법을 사용한다.
• 현재와 향후 실험적 불확도를 포함하여 $m_W$, $R_b$, $R_\ell$, $A_f$, $\Gamma_{\text{had}}$, $\Gamma_{h\to\gamma\gamma}$ 등의 EWPT 데이터에 대한 글로벌 피팅을 수행하여 윌슨 계수를 제약한다.
• 베이지안 프레임워크를 사용하여 윌슨 계수의 사후 확률 분포를 추정하고, 현재와 향후 실험 불확도를 통합한다.
• 미래의 $e^{-}e^{+}$ 충돌기(FCC-ee, CEPC)의 민감도를 평가하기 위해, 현재 측정값과 일致하는 미래의 중심값을 가정한다.
• 분석 결과, $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 가 $m_W$ 이완의 주요 원인으로 규명되었으며, 그 계수 $c_T$ 는 $c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01$ 로 제약된다.
• 이 연산자의 단순한 실현은 전하가 0인 전자약삼중항 스칼라이며, 이는 나무단계에서 $m_W$ 이완을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 SMEFT 차원 6 연산자들이 다른 전자약정밀관측량과 충돌하지 않으면서도 CDF 측정에서 관측된 $m_W$ 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 를 위한 윌슨 계수 $c_T$ 가 $m_W$ 불일치를 설명하기 위해 필요한 크기는 얼마인가?
• RQ3 $m_W$ 이완에 대한 나무단계와 루프단계 기여에 대해 암시되는 새로운 물리학 스케일 $\Lambda$ 는 얼마인가?
• RQ4 FCC-ee와 같은 향후 $e^{-}e^{+}$ 충돌기는 특히 $c_T$ 와 $c_{WB}$ 에 대해 어떤 민감도를 보일 수 있는가?
• RQ5 Higgs 보손의 붕괴 $h \to \gamma\gamma$ 는 제안된 SMEFT 설명의 결정적 테스트가 될 수 있는가?

주요 결과

• $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 는 $m_W$ 이완의 주요 원인으로 규명되었으며, CDF 결과를 설명하기 위해 $c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01$ 의 계수가 필요하다.
• 이 계수는 UV 완성에 따라 나무단계 효과에서는 수 테바르스케일, 루프단계 효과에서는 하위테바르스케일의 새로운 물리학 스케일을 암시한다.
• 전하가 0인 전자약삼중항 스칼라는 이 연산자의 구체적인 실현이며, $c_{WB}$ 보다 보다 보다 작은 교정을 유도하면서 나무단계에서 $m_W$ 이완을 생성한다.
• Higgs 붕괴 너비 $\Gamma_{h\to\gamma\gamma}$ 는 $c_{WB} \sim \mathcal{O}(0.01)$ 로 인해 최대 10% 정도의 변화를 겪을 것으로 예측되며, 이는 HL-LHC의 정밀도 범위 내에 있다.
• 향후 $e^{-}e^{+}$ 충돌기인 FCC-ee는 $|c_{WB}|(\text{TeV}/\Lambda)^2 \lesssim 10^{-3}$ 를 제약하고, $c_T$ 를 null 값으로부터 10σ 이상의 유의수준에서 시험할 수 있다.
• FCC-ee와 CEPC 실험은 고정밀 $Z$-폴 및 $WW$-임계점 측정을 통해 $m_W$ 이상 현상의 원인인 SMEFT 연산자에 대해 결정적인 테스트를 제공할 것으로 예상된다.