[論文レビュー] Electroweak dark matter model accounting for the CDF $W$-mass anomaly

Jin-Wei Wang, Xiaojun Bi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、二重ヒッグス・ダブルレット・モデルに不活性スカラーダイレットとスカラートリプレットを導入し、ループ誘導型の斜交補正によってCDFのWボソン質量異常を説明するとともに、最も軽い中性状態としての寒冷暗黒物質を同時に説明する。スカラーダークマター（DM）モデルでは、W質量のずれ、リリック密度、直接検出制約を満たす可能なパラメータ点が得られるが、散乱断面積とリリック密度に対する厳密な制約のため、フェルミオン的DMモデルではそのような点は得られない。

ABSTRACT

Recently, the CDF collaboration reported a new measurement of the $W$ boson mass $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV, which shows a $\sim 7σ$ deviation from the standard model prediction $80.3545 \pm 0.0057$ GeV obtained by the electroweak (EW) global fit. This deviation can be explained by new physics generating moderate EW oblique parameters $S$, $T$, and $U$. In this work, we use the loop corrections induced by some extra EW multiplets to explain the CDF $M_W$ anomaly. The lightest neutral particle in the multiplets can also serve as a candidate of cold dark matter (DM). We consider two such models, namely singlet-triplet scalar DM and singlet-doublet fermionic DM models, and perform numerical scans to find the parameter points accounting for the $M_W$ anomaly. The constraints from the correct DM thermal relic density and direct detection are also taken into account. We find the parameter points simultaneously interpreting the $M_W$ anomaly and satisfying the DM requirements in the former model, but do not find such parameter points in the latter model.

研究の動機と目的

• 標準模型予測からのCDFのWボソン質量測定における7σのずれを、電弱相互作用領域における新しい物理によって説明すること。
• 追加の電弱多重スカラーを備えたモデルを構築し、W質量異常と同時に、実現可能な寒冷暗黒物質候補を提供すること。
• パラメータ空間の数値スキャンを実施し、W質量異常、正しい熱的リリック密度、直接検出制約を満たす点を同定すること。
• 同じ理論的枠組み下で、スカラーダークマターとフェルミオン的DMモデルの両方が異常を説明する可能性に差があるかを比較すること。
• 数100 GeV未満の軽い新しい物理によるループ誘導型斜交補正の現象論的妥当性を評価すること。

提案手法

• Wボソン質量のループ補正を生成するため、不活性な実スカラーダイレットと複素スカラートリプレットを新しい電弱多重スカラーとして導入し、斜交パラメータS、T、Uを介して補正を実現する。
• これらの多重スカラーの木レベルおよびループレベルの寄与を用いて、Wボソン質量のずれを計算し、観測されたCDFのずれΔM_W ≈ 0.079 GeVに一致させる。
• ボルツマン方程式と同時に起こる過程（共凝集・消失）を用いて、最も軽い中性状態（χ₁⁰）の熱的リリック密度を計算する。
• 有効場理論と1ループ図を用いて、スピン非依存（SI）およびスピン依存（SD）のダークマター-核子散乱断面積を計算する。
• CDFのW質量測定、プランクによるリリック密度（Ωh² ≈ 0.12）、直接検出限界（PandaX-4T、PICO-60）を適用したパラメータ空間のグローバルな数値スキャンを実施する。
• スカラーダークマター（ダイレット-トリプレット）モデルとフェルミオン的DM（ダイレット-ダブルレット）モデルを比較し、現象論的妥当性の差を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不活性スカラーマルチプレットを備えたスカラーダークマター・モデルは、CDFのWボソン質量異常を同時に説明し、宇宙論的および直接検出制約を満たすことができるか？
• RQ2 Wボソン質量異常を満たすにもかかわらず、Weylダイレットとダブルレットを備えたフェルミオン的DMモデルでは、なぜ実現可能なパラメータ点が得られないのか？
• RQ3 共凝集、共鳴消失、禁止過程が、スカラーダークマター・モデルにおける正しいリリック密度を達成するために果たす役割は何か？
• RQ4 SIおよびSD散乱断面積の直接検出制約が、両モデルにおける実現可能なパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ5 ループ補正によって観測されたW質量ずれを生成するためには、新しい物理スケールにおける必要な質量スケールと質量分裂はどの程度か？

主な発見

• ダイレット-トリプレットのスカラーダークマター・モデルでは、CDFのW質量異常、正しい熱的リリック密度、直接検出限界を同時に満たす可能なパラメータ点が存在する。
• スカラーダークマター・モデルにおける実現可能なパラメータ点は、通常、過剰なダークマター生成を避けるために、共凝集、共鳴消失、または禁止過程への消失を伴う例外的領域に位置する。
• スカラーダークマター・モデルでは、直接検出制約を回避するため、小さなスカラーコーヒングを必要とするが、これによりダークマターの過剰生成が生じる。この問題を回避するには、標準的でない消失メカニズムが活性化されている必要がある。
• フェルミオン的DMモデルでは、W質量異常、正しいリリック密度、直接検出制約を同時に満たす可能なパラメータ点は得られなかった。
• hχ₁⁰χ₁の結合定数がゼロ、または非常に軽いDM（m_χ₁⁰ ~ 1 GeV）のパラメータ領域では、W質量異常を説明できないか、スピン依存の直接検出制約によって除外される。
• 本研究は、同じ理論的枠組み下で、より豊かな消失チャネルと結合構造を有するため、スカラーダークマター・モデルがフェルミオン的DMモデルよりも、CDFのW質量異常を説明する上でより現実的であると結論づけた。