[논문 리뷰] $W$ boson mass shift and muon magnetic moment in the Zee model

Talal Ahmed Chowdhury, Julian Heeck외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 Zee 모형이라는 최소한의 방사성 중성미온 질량 프레임워크 내에서 CDF $W$ 보손 질량 이상 현상과 $(g-2)_\mu$ 이질성에 대한 통합적 설명을 제안한다. 이는 구체적으로 무거운 이중성자 스칼라와 가벼운 중성 스칼라로 구성된 계단식 스칼라 질량 스펙트럼이 두 이상 현상 모두를 동시에 해결하면서도 모든 실험적 제약 조건(전자기류 위반, LHC 제약 등)을 만족시키기 위해 필수적임을 보여준다. 또한 LHC에서 같은 전하의 이중 뮤온 신호를 예측한다.

ABSTRACT

The CDF collaboration at Fermilab has recently reported a new precision measurement of the $W$~boson mass showing a substantial $7σ$ deviation from the Standard Model prediction. Moreover, Fermilab has recently confirmed the longstanding tension in the $(g-2)_μ$ measurement. We propose a unified solution to these deviations within the simplest radiative neutrino mass model: the Zee model. Our analysis establishes non-trivial links between the origin of neutrino mass, the $(g-2)_μ$ anomaly, and the $W$~boson mass shift while being consistent with lepton flavor violation and all other experimental constraints. We find that the mass spectrum of the physical scalars must be hierarchical to be consistent with the $W$~boson mass shift; remarkably, this is also the key to resolving the $(g-2)_μ$ tension. Furthermore, this mass splitting offers a unique same-sign dimuon signal through which our model can be tested at the LHC.

연구 동기 및 목표

• CDF에서 측정한 표준모형 예측값에서 벗어난 $7\sigma$ 편차를 설명하기 위해.
• 오랜 기간 지속된 뮤온의 비정상 자기모멘트 $(g-2)_\mu$ 의 $4.2\sigma$ 이질성을 해결하기 위해.
• Zee 모형 내에서 방사성 중성미온 질량 기원에 대해 일관된 프레임워크를 제공하기 위해.
• 스칼라 질량 계층 구조에 기인한 테스트 가능한 서명—특히 LHC에서의 같은 전하의 이중 뮤온 생성—을 규명하기 위해.
• 모든 기존 제약 조건, 즉 전자기류 위반, 전자기적 정밀도 관측량, 충돌기 제약 조건과의 호환성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 힉스 두중자와 단일 전하 스칼라 $\eta^+$ 를 포함하는 Zee 모형을 최소한의 방사성 중성미온 질량 메커니즘으로 채택한다.
• 표준모형 유사 힉스와의 분리 및 정밀 전자기적 데이터와의 호환성을 확보하기 위해 CP를 유지하는 정렬 한계($\cos(\beta - \alpha) = 0$)를 도입한다.
• Zee 모형 내에서 올림프라 $S$, $T$, $U$ 매개변수 및 $\Delta r$ 보정을 통한 $W$ 보손 질량 이격의 1-루프 기여를 계산한다.
• 정점 함수 $G(M, \varepsilon)$ 와 양자수 상수 결합을 사용하여, 양성자 및 중성 스칼라의 기여로 인한 뮤온의 비정상 자기모멘트에 대한 1-루프 기여를 평가한다.
• 모든 제약 조건, 즉 $cLFV$, $M_W$, $(g-2)_\mu$, LHC 탐색 결과를 충족시키는 Zee 모형 매개변수 공간에 대한 전반적 수치 스캔을 수행한다.
• 스칼라 질량 계층 구조에 의해 가능해지는 $\eta^+ \to \mu^+ \mu^+$ 붕괴 및 LHC에서의 $\eta^+ \eta^+ \to \mu^+ \mu^+$ 생성을 통한 고유한 같은 전하의 이중 뮤온 신호를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Zee 모형은 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서도 CDF 측정치에서의 $7\sigma$ $W$ 보손 질량 편차와 $(g-2)_\mu$ 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 질량 스펙트럼은 어떻게 구성되어야 $W$ 보손 질량 이격을 재현하면서도 $(g-2)_\mu$ 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ3 Zee 모형 내에서 스칼라 질량 계층 구조는 전자기류 위반과 충돌기 서명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스칼라 질량 계층 구조에 의해 유도되는 특별한 LHC 서명은 무엇이며, 이를 통해 모형을 시험할 수 있는가?
• RQ5 특정 양자수 상수 텍스처는 $W$ 보손 질량과 $(g-2)_\mu$ 간의 일관성을 유지하면서도 $\tau \to 3\mu$ 제약 조건과 호환되는가?

주요 결과

• CDF 측정치에서의 $W$ 보손 질량 이격을 설명하기 위해선 구체적으로 $m_{H^+} \gg m_{H^0}, m_{A^0}$ 인 계단식 스칼라 질량 스펙트럼이 필요하다.
• 이와 같은 질량 계층 구조는 $(g-2)_\mu$ 이상 현상을 해결하는 데 필수적이며, 이는 뮤온의 비정상 자기모멘트에 대한 1-루프 기여를 증폭시키기 때문이다.
• 모형은 스칼라 질량 분리와 $\mu$-친화적인 양자수 상수 결합에 기인한 $\eta^+ \eta^+ \to \mu^+ \mu^+$ 생성을 통해 LHC에서 특징적인 같은 전하의 이중 뮤온 신호를 예측한다.
• 모형은 모든 현재 제약 조건과 호환되며, 특히 대부분 뮤온에 친화적인 양자수 상수 텍스처에서 $\tau \to 3\mu$ 분해율이 Belle II 감도 범위 내에 머물러 있다.
• $W$ 보손 질량 이격은 올림프라 보정을 통해 설명되며, 표준모형 예측에서의 $7\sigma$ 편차에서 $T$ 매개변수가 주요 기여를 한다.
• 필요로 하는 스칼라 질량 계층 구조는 $cLFV$ 과정(예: $\mu \to e\gamma$)을 자연스럽게 억제하여 실험 제약 조건과의 호환성을 확보한다.