[논문 리뷰] W boson mass in Singlet-Triplet Scotogenic dark matter model

Aditya Batra, ShivaSankar K. A외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 이중체에서의 W 보손 질량 측정치에서 관측된 CDF-II 이상현상(7σ 이격)을 설명하기 위해, 트리 레벨에서 W 보손 질량에 기여하는 진공기대값(Vacuum Expectation Value, VEV)을 가진 초전하가 없는 SU(2)L 삼중체 스칼라를 도입함으로써, 단일-삼중체 스코토제닉 어두운 물질 모형을 제안한다. 이 모형은 동시에 1-루프 중성미온 질량을 생성하고, 실험 데이터와 일관된 넓은 매개변수 영역 내에서 S, T, U 매개변수 및 직접 탐지 제약 조건을 충족하는 타당한 페르미온 어두운 물질 후보를 제공한다.

ABSTRACT

The recent high precision measurement of $W$ boson mass by CDF-II collaboration points to the contribution(s) of new physics beyond the Standard Model. One of the minimalistic ways to account for the anomalous $W$ boson mass is by introducing a hyperchargeless real $SU(2)_L$ triplet scalar whose vacuum expectation value explicitly contributes to the $W$ boson mass at the tree level while the $Z$ boson mass remains the same. Such a triplet can be naturally embedded in a singlet-triplet scotogenic model for one loop neutrino mass generated by dark sector particles running in the loop. We discuss the detailed phenomenology of the model, obtaining the parameter space consistent with the CDF-II $W$ boson mass measurements. The dark matter as well as the constraints comings from $S$, $T$, $U$ parameters are also analyzed.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측에서 벗어난 CDF-II W 보손 질량 측정치의 7σ 이격 현상을 설명하기 위해.
• 1-루프 중성미온 질량 생성을 위한 스코토제닉 모형에 초전하가 없는 SU(2)L 삼중체 스칼라를 통합하기 위해.
• 모형이 전자약력 정밀도 관측량(S, T, U 매개변수)과 일치함을 보장하기 위해.
• 타당한 페르미온 어두운 물질 시나리오에서 어두운 물질 잔여 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 충족시키기 위해.
• 혼합된 단일-삼중체 어두운 물질의 현상학적 특성을 탐색하고, 직접 탐지 가능성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 초전하가 없는 SU(2)L 삼중체 스칼라 Ω를 도입하여, 그 진공기대값 vΩ가 W 보손 질량에 트리 레벨에서 기여하지만 Z 보손 질량에는 영향을 주지 않도록 한다.
• Z2 어두운 대칭 아래에서, 표준모형의 최소 확장으로서 단일 페르미온 N, 삼중체 페르미온 Σ, 이중체 스칼라 η, 그리고 삼중체 스칼라 Ω를 포함한다.
• η와 Ω의 교환을 통해 1-루프 중성미온 질량 생성을 실현하며, 삼중체 스칼라 Ω가 루프 다이어그램을 닫는다.
• S, T, U 매개변수를 계산하여, CDF-II W 보손 질량을 포함한 전자약력 정밀도 데이터에 대한 모형 제약 조건을 도출한다.
• 어두운 물질 현상학을 분석하며, 공반탄성에 의한 잔여 밀도 및 Z 및 힉스 보손에 의해 매개되는 스핀-독립 산란을 통한 직접 탐지를 고려한다.
• 단일 페르미온 N과 삼중체의 중성 성분 간의 혼합을 고려하여, 직접 탐지 민감도가 향상된 혼합 어두운 물질 상태를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 진공기대값을 가진 초전하가 없는 SU(2)L 삼중체 스칼라가 트리 레벨에서 CDF-II W 보손 질량 측정치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 이러한 삼중체 스칼라가 1-루프 중성미온 질량 생성을 위한 스코토제닉 모형에 어떻게 일관되게 통합될 수 있는가?
• RQ3 특히 CDF-II 결과를 고려할 때, S, T, U 정밀도 관측량으로부터 모형 매개변수에 가해지는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 모형이 어두운 물질 잔여 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 모두 충족하는 타당한 어두운 물질 후보를 제공하는가?
• RQ5 단일 및 삼중체 페르미온 간의 혼합은 어두운 물질 현상학, 특히 직접 탐지에서 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CDF-II에서 측정된 W 보손 질량 80.4335 ± 0.0094 GeV은 초전하가 없는 SU(2)L 삼중체 스칼라의 VEV에 의한 트리 레벨 기여로 설명되며, 관측된 이격 현상을 일치시키기 위해 vΩ ≈ 1.5 GeV이 필요하다.
• 모형은 어두운 스칼라 η와 삼중체 스칼라 Ω의 교환을 통해 1-루프 중성미온 질량을 성공적으로 생성하며, 후자의 삼중체 스칼라 Ω가 루프 다이어그램을 닫는다.
• S, T, U 매개변수를 계산한 결과, 글로벌 피팅 결과와 일치하며, 주로 이중체 스칼라 η와 삼중체 스칼라 Ω에서 기인한 기여가 지배적이다.
• 단일 N과 삼중체 Σ의 중성 성분의 혼합으로 이루어진 페르미온 어두운 물질 후보는 넓은 매개변수 영역에서 관측된 잔여 밀도를 충족한다.
• N과 Σ 간의 혼합으로 인해 직접 탐지가 향상되며, Z 및 힉스 보손을 통해 중성자와의 트리 레벨 결합이 비영이 되어, 현재 LUX-ZEPLIN 및 XENON1T의 한계 내에 있는 단면적을 갖는다.
• 이 모형은 CDF-II 이상현상, 중성미온 질량 생성, 어두운 물질 모두를 표준모형의 단일이고 최소한의 확장으로 통합하는 통합 프레임워크를 제공한다.