[論文レビュー] A model explaining the new CDF II W boson mass linking to muon $g-2$ and dark matter

Keiko Nagao, Takaaki Nomura+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ベクトル励起レプトンと不活性スカラーダブルレットを導入した、標準模型のU(1)ゲージ拡張を提案する。このモデルは、CDF IIのWボソン質量異常、ミューオン $g-2$ のずれ、そして妥当なダークマター候補を同時に説明する。モデルは、ヘリカル抑制のないループ項による大きなミューオン $g-2$ を達成し、不活性スカラによる正の $ abla T$ シフトによってWボソン質量の過剰を解消する。一方、不活性スカラの実部は、リリック密度と直接検出制約と整合するダークマター候補として機能する。

ABSTRACT

We propose a model to explain the W boson mass anomaly reported by the CDFII collaboration that would suggest new physics (NP). We introduce exotic fermions; one isospin doublet vector-like lepton, one isospin singlet singly-charged vector-like lepton, and an isospin doublet inert scalar. The proposed model provides sizable muon anomalous magnetic moment (muon $g-2$) due to no chiral suppression and nonzero mass difference between the real and imaginary parts of neutral inert scalar bosons. The inert scalar mass squared difference and vector-like exotic leptons ($L', E'$ in the main text) affect oblique parameters. Especially, the $T$-parameter shift from zero explains the W boson mass anomaly. We search for the allowed parameter region to explain both muon $g-2$ and W boson mass anomaly at the same time. We also discuss a dark matter (DM) candidate assuming the real part of the inert scalar field to be the one. We find that lighter DM mass is favored to be consistent with experimental constraints.

研究の動機と目的

• CDF IIによるWボソン質量測定値が標準模型の予測から7$\sigma$ずれていることの説明。
• ミューオンの異常磁気モーメント（$g-2$）における4.2$\sigma$のずれを同時に説明すること。
• 宇宙論的および直接検出制約と整合する妥当なダークマター候補の提供。
• すべての3つの異常を1つのローレンツ不変モデル内で同時に説明可能なパラメータ空間の同定。

提案手法

• 不活性スカラ（$\eta$）を含む拡張されたスカラーセクターと、ダークマター候補を安定化する$Z_2$対称性を導入。
• 2つのベクトル励起フェルミオンを仮定：アイソスピンダブルレット（$L'$）とスカラ（$E$）、両者とも新たな$U(1)$ゲージ対称性に荷電。
• ベクトル励起フェルミオンと不活性スカラからの1ループ寄与を、オブリークパラメータ（$\nabla T$, $\nabla S$）について計算。スカラは正の$\nabla T$を提供し、Wボソン質量異常を解消する。
• ベクトル励起レプトンを介する電荷現在相互作用によるミューオン$g-2$の1ループ寄与を評価。ミューオン質量による抑制がないため、ベクトル励起性質のおかげで寄与は抑制されない。
• ダークマター候補（$\eta_R$）のリリック密度を導出し、$Z'$媒介の$Z$ボソン交換による直接検出断面積を計算。
• 実験的制約（$m_W$異常、$g-2$ずれ、ダークマター制約）を満たすパラメータ空間の数値スキャンを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのモデルが、CDF IIのWボソン質量異常、ミューオン$g-2$のずれ、そして妥当なダークマター候補を同時に説明できるか。
• RQ2 不活性スカラの実部（$\eta_R$）と虚部（$\eta_I$）の質量分裂が、大きな$g-2$寄与を生成する上で果たす役割は何か。
• RQ3 ベクトル励起フェルミオンと不活性スカラは、オブリーク$T$パラメータにどのように寄与するか。また、$W$ボソン質量測定で要求される正の$\nabla T$を説明できるか。
• RQ4 すべての実験的制約（リリック密度と直接検出限界）を満たすパラメータ空間はどのように特定できるか。

主な発見

• モデルは、$\eta_R$と$\eta_I$間の非ゼロの質量二乗差のおかげで、ヘリカル抑制のないベクトル励起フェルミオンループによる大きなミューオン$g-2$寄与を達成する。
• 不活性スカラダブルレットは$T$パラメータに正の寄与を提供し、これはCDF IIの$W$ボソン質量過剰を説明するために不可欠である。一方、ベクトル励起フェルミオンは負の寄与を寄与する。
• 妥当なダークマター候補として、不活性スカラの実部（$\eta_R$）が特定され、直接検出制約を満たすためにより軽い質量が好ましい。
• モデルは、$W$ボソン質量異常とミューオン$g-2$のずれを同時に説明でき、ダークマター制約を含めた場合、ミューオン$g-2$の値が実験値の3$\sigma$範囲内にある。
• 数値解析により、すべての3つの異常を満たすパラメータ領域が存在することが確認され、$W$ボソン質量のずれの主因は$T$パラメータのシフトであることが判明した。