[論文レビュー] Beta-decay implications for the W-boson mass anomaly

Vincenzo Cirigliano, Wouter Dekens+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、標準模型効果的場理論（SMEFT）におけるWボソン質量の異常を全球的にフィットする際、ベータ崩壊の制約を除外した場合、第一層のCKMユニタリティに大きく、パーセントレベルの破れが生じることを示している—これは高精度の低エネルギーデータと矛盾する。この矛盾を解消するため、著者らは $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ 演算子のウィルソン係数が $-(0.082 \pm 0.045)\,\text{TeV}^{-2}$ である非ゼロの値をとることで、CKMユニタリティが0.1%レベルに回復することを示している。この状況は、Wボソン質量の異常を説明しつつ、現在のLHCの $pp \to ll$ プロセスに対する制約とも整合している。

ABSTRACT

We point out the necessity to consider $β$-decay observables in resolutions of the $W$-boson anomaly in the Standard Model Effective Field Theory that go beyond pure oblique corrections. We demonstrate that present global analyses that explain the $W$-boson mass anomaly predict a large, percent-level, violation of first-row CKM unitarity. We investigate what solutions to the $W$-boson mass anomaly survive after including $β$-decay constraints.

研究の動機と目的

• Wボソン質量の異常を全球的にフィットするSMEFTのアプローチと、CKMユニタリティに関する高精度の低エネルギーデータとの不一致を解消すること。
• 標準的な電弱観測量（EWPO）のフィットでベータ崩壊の観測量を除外した場合、第一層のCKMユニタリティが約1%の大きな破れを示すことを同定すること。
• $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ をSMEFTの演算子集合に含めることで、Wボソン質量の異常とCKMユニタリティの両方を一貫して説明可能であることを示すこと。
• このような解が、$pp \to ll$ プロセスからの現在のLHCの制約と整合するかを評価すること。
• 将来の全球的SMEFTフィットにおいて、$\Delta_{\mathrm{CKM}}$ とベータ崩壊の観測量を標準的な入力として組み込む必要性を強調すること。

提案手法

• 次元6のSMEFT演算子のワルサワ基底を用いて、標準模型からのずれをパラメータライズする。
• 線形SMEFT近似を適用し、式 (2.2) に従って $m_W$ のずれをウィルソン係数 $C_{HWB}, C_{HD}, C_{Hl}^{(3)}, C_{ll}$ を用いて計算する。
• Ref. [12] の $\chi^2$ を電弱観測量（EWPO）データから再構築し、$\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 観測量を新たな制約として追加する。
• CKMユニタリティの破れを追跡するために、$C_{\Delta} = 2(C_{Hq}^{(3)} - C_{Hl}^{(3)} + \hat{C}_{ll})$ の組み合わせを導入する。
• $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ を制約として用い、$C_{lq}^{(3)}$ が非ゼロとなるようにウィルソン係数を再フィットし、ユニタリティの破れを分離する。
• 得られた $C_{lq}^{(3)}$ の値を、13 TeVでの $pp \to ll$ プロセスからのLHC制約と比較する。単一結合子とグローバルフィットの両方の制約をRef. [43] から用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベータ崩壊の観測量を除外したWボソン質量の異常を全球的にフィットするSMEFTアプローチは、第一層のCKMユニタリティに許容できないほど大きな破れ（約1%）を予測するか？
• RQ2 $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ をSMEFTの演算子集合に含めることで、Wボソン質量の異常とCKMユニタリティの間の矛盾を解消できるか？
• RQ3 CKMユニタリティを回復させつつ、$m_W$ の異常を説明するために必要な $C_{lq}^{(3)}$ ウィルソン係数の大きさはどの程度か？
• RQ4 得られた $C_{lq}^{(3)}$ の値は、現在のLHCの $pp \to ll$ プロセスからの制約と整合するか？
• RQ5 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$、EWPO、およびLHCの制約が、許容されるパラメータ空間内でどのように作用し合うか？

主な発見

• ベータ崩壊の観測量を除外したWボソン質量の異常を全球的にフィットするSMEFTアプローチは、$\Delta_{\mathrm{CKM}}$ の破れを約1%程度に予測しており、これは現在のCKMユニタリティの決定における0.1%レベルの不一致をはるかに上回る。
• CKMユニタリティを回復させるために必要な $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ 演算子のウィルソン係数は $C_{lq}^{(3)} = -(0.082 \pm 0.045)\,\text{TeV}^{-2}$ であり、これはグローバルフィットから得られる95%信頼水準のLHC制約 $-(0.05 \pm 0.1)\,\text{TeV}^{-2}$ と整合している。
• 単一結合子のLHC制約における $C_{lq}^{(3)}$ の上限は、95%信頼水準で $-(0.028 \pm 0.028)\,\text{TeV}^{-2}$ であり、EWPOおよび $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ フィットが支持する領域をほぼ排除する可能性がある。
• この解法には非ゼロの $C_{lq}^{(3)}$ 係数が必要であり、これにより $pp \to ll$ プロセスにおける新しいコライダーのシグネチャが生じ、HL-LHCでテスト可能になる。
• 全球的SMEFTフィットにおいて $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ を制約として組み込むことは不可欠であり、現在はあまり活用されていないが、妥当な新しい物理の説明を顕著に制限する。
• ウィルソン係数のフレーバー非ユニバーサル性、または右巻きカレントを持つ演算子の導入により制約はさらに緩和可能であるが、本研究では最小かつ一貫性のある拡張を提供するMFV仮定を用いている。