[논문 리뷰] Enhancement of the $ extbf{W}$ boson mass in the Georgi-Machacek model

Poulami Mondal|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM) 예측을 초월해 CDF-II가 보고한 W 보손 질량의 관측된 30 MeV 증가 현상이 지오르기-마하체크(Georgi-Machacek, GM) 모형으로 설명될 수 있는지 조사한다. 관세대 삼중항과 5-플렛 스칼라 질량 간의 비퇴화를 통해 모형은 비직선 S 매개변수를 생성하며, 이는 W 보손 질량을 최대 32 MeV 증가시킨다. 이는 뮌온 수평 질량 이격점이 제외된 경우 CDF 측정치와 1σ 이내에 들어온다.

ABSTRACT

The recent CDF-II measurement of the mass of the $W$ boson shows a significant tension with the Standard Model (SM) expectation, even when averaged with earlier measurements. The tension can be explained in the framework of any beyond-SM dynamics that contributes substantially to the oblique $S$ and $T$ parameters. As a typical example of such beyond-SM physics, we try to explain the tension in the framework of the Georgi-Machacek model that keeps $ρ=1$ at the tree-level, and explore the parameter space that can accommodate the $W$ mass shift. We find that a sizeable split between the custodial triplet and 5-plet of scalars can help alleviate the tension to a large extent, and raise the $W$-mass by about 30 MeV over its SM value.

연구 동기 및 목표

• CDF-II가 측정한 W 보손 질량과 표준모형(SM) 예측 사이의 지속적인 6σ 불일치를 해결하기 위해.
• 관세대 대칭을 트리 수준에서 유지하는 것으로 알려진 지오르기-마하체크 모형이 CDF-II 데이터와 일치시키기 위해 필요한 정도의 W 보손 질량 이동을 생성할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 관세대 삼중항과 5-플렛 스칼라 간 질량 퇴화의 붕괴가 비직선 S 매개변수를 생성하고 M_W를 증가시키는 데 어떤 역할을 하는지 조사하기 위해.
• 현재의 직접 및 간접 실험 제약, 특히 플레이버 관측과 H^{++} 붕괴 한계를 고려할 때 GM 모형의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 실수 SU(2)_L 삼중항(ξ)과 복소수 SU(2)_L 삼중항(χ)을 포함한 지오르기-마하체크 모형을 사용하며, 트리 수준에서 관세대 대칭을 유지한다.
• W 보손 질량 이동은 비직선 S 매개변수를 통해 계산되며, U ≈ 0(새로운 물리가 무거움)를 가정하여 S-T-U 매개변수화를 통해 ΔM_W를 유도한다.
• 모형은 힉스 보손 질량(125 GeV), 혼합 각도(sinϑ = 0.31), 관세대 단일 힉스 질량(150 GeV)의 제약 조건을 고려하여 분석된다.
• 진공 기대값 v_χ와 관세대 삼중항 및 5-플렛 스칼라 간 질량 분리(m_3 - m_5)를 변화시켜 매개변수 공간을 스캔한다.
• 플레이버 관측(예: b→sγ, B_s→μ⁺μ⁻)과 H^{++}→W⁺W⁺ 붕괴가 관측되지 않은 점을 고려하여 v_χ를 제약한다.
• m_5 = 500, 600, 800 GeV의 벤치마크 값에 대해 S 매개변수와 ΔM_W를 수치적으로 계산하고, 매개변수 공간에 그림으로 표현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지오르기-마하체크 모형은 관세대 대칭을 위반하지 않고도 CDF-II 이상현상을 설명할 수 있을 정도의 W 보손 질량 증가를 생성할 수 있는가?
• RQ2 관세대 삼중항과 5-플렛 스칼라 간 질량 분리가 비직선 S 매개변수와 그로 인한 W 보손 질량 이동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 플레이버 물리와 H^{++} 붕괴에서의 제약 조건은 이 맥락에서 GM 모형의 타당한 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 GM 모형은 CDF-II의 W 보손 질량 측정치와 표준모형(SM) 예측 사이의 불일치를 어느 정도 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 관세대 삼중항과 5-플렛 스칼라가 퇴화된 단순화된 GM 모형(m_3 = m_5)에서는 W 보손 질량 증가가 최대 약 20 MeV에 그치며, 이는 CDF-II 이상현상을 설명하기에는 부족하다.
• 관세대 삼중항과 5-플렛 스칼라 질량 간의 퇴화를 해체함으로써 더 큰 S 매개변수와 그에 따른 ΔM_W 증가가 가능해진다.
• m_5 = 500 GeV이고 m_3 - m_5가 제약 조건 하에서 최대화될 경우, 얻을 수 있는 최대 W 보손 질량 증가는 32 MeV에 이른다.
• 이 32 MeV의 증가는 뮌온 수평 질량 데이터 포인트가 제외된 경우 예측된 M_W가 CDF-II 측정치와 1σ 이내에 들어오게 한다.
• v_χ가 m_5 = 800 GeV일 때 30 GeV 이하로 유지되면 플레이버 관측과 H^{++}→W⁺W⁺ 붕괴의 관측되지 않음 제약 조건 하에서도 모형은 타당하다.
• S 매개변수 값은 질량 분리에 따라 증가하며, 다양한 m_5 값에서 일관된 경향을 보이며, 이는 m_3 - m_5에 대한 강력한 의존성을 나타낸다.