[논문 리뷰] $Z$ boson mixing and the mass of the $W$ boson

Y. Zeng, Chengfeng Cai외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 19.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CDF 연합이 관측한 $W$ 보손 질량 초과 현상을 설명하기 위해 Z 보손과 추가 게이지 보손 간의 수준 1 혼합을 제안한다. 유도 포털 어둠료물질 모형(DPDM)에서는 추가 보손이 약 120 GeV일 때, $W$ 보손 질량, 어둠료물질의 잔류 밀도, 기울기 매개변수 및 간접 탐지 제약 조건을 모두 재현할 수 있는 타당한 매개변수 영역이 존재한다. 반면 U(1) 확장 모형은 엄격한 기울기 매개변수 제약 조건으로 인해 $W$ 질량에 약 27 MeV만 기여할 수 있다.

ABSTRACT

We explore the possibility of explaining the $W$ boson mass with an extra gauge boson mixing with the $Z$ boson at tree level. Extra boson mixing with the $Z$ boson will change the expression of the $Z$ boson mass, thus altering the $W$ boson mass. We explore two models in this work. We find that in the Derivative Portal Dark Matter model, there are parameters space which can give the observed $W$ boson mass, as well as the observed Dark Matter relic density. These parameters space can also fulfill the constraints from the electroweak oblique parameters and Dark Matter indirect detection. In the U(1) extension model, the kinetic mixing between extra boson and $B$ boson can also give the observed $W$ boson mass. However, to fulfill electroweak oblique parameters fit the kinetic mixing in the U(1) model can only contribute about $27~\mathrm{MeV}$ extra mass to the Standard Model $W$ boson mass. Both models indicate the extra vector boson with the best fit mass around $120~\mathrm{GeV}$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM) 예측값($80.357 \pm 0.006$ GeV)을 초월하여 측정된 CDF 측정치 $m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV를 설명하기 위해 새로운 물리학의 가능성을 탐색한다.
• Z 보손과 추가 게이지 보손 간의 수준 1 혼합이 관측된 $W$ 보손 질량 증가를 유도할 수 있는지 조사한다.
• 기울기 매개변수, 어둠료물질 잔류 밀도 및 간접 탐지 제약 조건을 고려할 때, 두 모형—유도 포털 어둠료물질(DPDM) 및 U(1) 확장—의 타당성을 평가한다.
• 다양한 정밀 전자기상 및 어둠료물질 제약 조건을 동시에 만족시키는 추가 벡터 보손의 질량 및 결합 조건을 규명한다.

제안 방법

• 추가 벡터 보손과의 혼합을 포함한 $2\times2$ 질량 행렬을 통해 Z 보손 질량을 모델링하고, 수정된 게이지 결합을 통해 $W$ 보손 질량을 조정한다.
• 모델 매개변수를 피팅하기 위한 핵심 입력으로 페르미랩 CDF 측정치 $m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV를 사용한다.
• 두 모형의 타당한 매개변수 영역을 제한하기 위해 전자기상 기울기 매개변수($S$, $T$, $U$)의 제약 조건을 적용한다.
• DPDM 모형에서 천체물리적 타당성을 테스트하기 위해 어둠료물질 잔류 밀도 및 간접 탐지 제약 조건을 포함한다.
• 전역 전자기상 피팅과의 비교를 위해 $\chi^2$ 분석을 수행하며, 특히 $S$, $T$, $U$ 매개변수에 중점을 둔다.
• 두 모형에서 $T$ 매개변수 및 $\chi^2$의 해석적 표현을 유도하여 $s_w$와 혼합 매개변수에 대한 피팅 민감도를 이해한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울기 매개변수 제약 조건을 위반하지 않으면서 Z 보손과 추가 게이지 보손 간의 수준 1 혼합이 CDF의 $W$ 보손 질량 측정치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 유도 포털 어둠료물질 모형에서 $W$ 보손 질량, 어둠료물질 잔류 밀도 및 간접 탐지 한계를 동시에 재현할 수 있는 타당한 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ3 U(1) 확장 모형은 기울기 매개변수 제약 조건을 만족하면서 $W$ 보손 질량 증가에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ4 두 모형의 $\chi^2$ 등고선이 유사한 $T$-매개변수 행동을 보이는데도 불구하고, 왜 상당한 차이를 보이는가?
• RQ5 각 모형에서 $W$ 보손 질량 이상 현상에 가장 잘 맞는 추가 벡터 보손의 질량은 얼마인가?

주요 결과

• 유도 포털 어둠료물질 모형(DPDM)에서는 관측된 $W$ 보손 질량, 측정된 어둠료물질 잔류 밀도를 재현하고, 기울기 매개변수 및 간접 탐지 제약 조건을 모두 만족하는 타당한 매개변수 영역이 존재한다.
• DPDM 모형의 추가 벡터 보손은 약 120 GeV의 최적 피팅 질량을 가지며, 이는 $W$ 보손 질량 이상 현상과 일치한다.
• U(1) 확장 모형에서는 $B$ 보손과의 운동 에너지 혼합이 $W$ 보손 질량에 약 27 MeV만 기여할 수 있으며, 이는 $S$ 매개변수에 대한 강력한 제약 조건 때문이다.
• U(1) 모형에서 $W$ 질량이 증가할 경우 $S$ 매개변수가 중심값($0.005$)에서 크게 이격되어 큰 질량 기여를 불리하게 만든다.
• DPDM 모형의 $\chi^2$는 U(1) 모형보다 $T$ 매개변수 변화에 더 민감하여 더 엄격하고 특이한 $\chi^2$ 등고선 형태를 보인다.
• U(1) 모형에서 $s_w$가 고정되어 있을 때 $T$ 매개변수의 혼합 매개변수 $\epsilon$에 대해 약한 의존성이 있지만, 등고선의 왼쪽 아래 영역에서 증가함을 보여, 좋은 피팅을 유지하기 위해 $s_w$와 $\epsilon$ 간의 상충 관계가 존재한다.