[論文レビュー] Oblique Lessons from the $W$ Mass Measurement at CDF II

Pouya Asadi, Cari Cesarotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 21

ひとこと要約

論文は、最近のCDF II $W$-質量測定をオブリックパラメータ $S$、$T$、$U$を用いた電弱適合に組み込み、データが非ゼロのオブリック補正を好むことを示す—特に正の $T$（および潜在的に大きな $U$）—そしてこれらのシフトを実現しうる単純なBSMモデルを検討する。

ABSTRACT

The CDF collaboration recently reported a new precise measurement of the $W$ boson mass $M_W$ with a central value significantly larger than the SM prediction. We explore the effects of including this new measurement on a fit of the Standard Model (SM) to electroweak precision data. We characterize the tension of this new measurement with the SM and explore potential beyond the SM phenomena within the electroweak sector in terms of the oblique parameters $S$, $T$ and $U$. We show that the large $M_W$ value can be accommodated in the fit by a large, nonzero value of $U$, which is difficult to construct in explicit models. Assuming $U = 0$, the electroweak fit strongly prefers large, positive values of $T$. Finally, we study how the preferred values of the oblique parameters may be generated in the context of models affecting the electroweak sector at tree- and loop-level. In particular, we demonstrate that the preferred values of $T$ and $S$ can be generated with a real SU(2)$_L$ triplet scalar, the humble "swino," which can be heavy enough to evade current collider constraints, or by (multiple) species of a singlet-doublet fermion pair. We highlight challenges in constructing other simple models, such as a dark photon, for explaining a large $M_W$ value, and several directions for further study.

研究の動機と目的

• 新しい CDF II の $W$-質量測定が標準模型の電弱適合へ与える影響を評価する。
• CDF II の値と SM のオブリックパラメータ空間 $(S,T,U)$ の間の緊張を特徴づける。
• 好まれるオブリックパラメータ空間を、単純な標準模型を超えるシナリオ（BSM）へ写像する。
• 木構造（ツリー）またはループレベルの新物理が要求される $S$ および $T$ の値を生み出しつつ、制約を回避できるかを調べる。

提案手法

• BSM 効果をオブリック補正 $S$, $T$, $U$ と、それらが電弱観測量に及ぼす線形影響でパラメータ化する。
• 5つの基本観測量に加え $S$, $T$, $U$ を含む χ^2 を最小化するグローバル電弱適合を実施する（$U$ はしばしば0に固定される）。
• いくつかの $W$-質量入力シナリオを評価する: CDF II の値、世界平均の組み合わせ、PDG 2020 の値。
• ρ様の関係と導出観測量を、二次ループ EW 結果と $M_W$, ar{τ}, および関連量の ∇ r のパラメータ化を用いて計算する。
• さまざまな $M_W$ 入力に対して、ヌースアンス観測量を周辺化して、$(S,T)$平面（および関連平面）に2シグマ領域を得る。
• 単純な BSM 実現例を検討する（実数 SU(2)_L 三重項 swino、ダークフォトン、シングレット-ダブレットフェルミオン）これがフィットした $(S,T,U)$ 値と整合するかを評価。
• U を自由にする影響とモデル構築への含意を検討。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDF II の $W$-質量測定は、グローバル電弱適合におけるオブリックパラメータ $S$, $T$, $U$ の好ましい値をどのように変えるか。
• RQ2 観測された $M_W$ のシフトは、$U=0$ のまま非ゼロ $S$ と $T$ だけで受け入れ可能か、それとも sizable $U$ が必要か。
• RQ3 必要な $S$ および $T$（および可能なら $U$）を生成しつつ、他の精密観測や衝突実験の制約と矛盾しない、どのような単純な標準模型を超えるシナリオが考えられるか。
• RQ4 そのようなモデル（例: swino triplet、singlet-doublet fermions）が EW fit の好みを再現するための viable なパラメータ空間は何か。
• RQ5 現在または将来の衝突実験でこれらの説明を検証する見通しはどうか。

主な発見

• CDF II の $W$-質量測定はデータへの SM 適合を著しく悪化させ、含めると $p$ 値が低い。
• $S$ と $T$ を自由化すると、CDF II 入力で大きく正の $S$, $T$ を取る良好な適合が得られる一方、PDG 世界平均値はほぼ $(S,T)\u2248(0,0)$ 付近。
• $U$ を0に固定すると、$(S,T)$ は $(0.15,0.24)$（CDF-II 世界平均）または $(0.17,0.27)$（CDF-II 全系統を含む）に近く、SM点からは離れる。
• $U$ を自由にすると、CDF-II ケースで最適点は $(S,T,U)\u2263(0.03,0.05,0.19)$ に移り、すべての適合で χ^2/ν \u2264 0.99。
• 大きな正の $U$ は W 質量のシフトを収容できるが、そのような sizable $U$ を生成することは摂動的モデルでは困難であり、カスティディアル対称性を損なう。
• 具体的な BSM 実現例として: (i) $Y=0$ の実数 SU(2)_L 三重項スカラー（swino）は正の $T$ を生み、$S$ と互換性がある可能性があり、TeV スケールで実現し得る; (ii) シングレット-ダブレットフェルミオンモデルはループレベルで寄与するが、他の制約により厳しく制限される; (iii) ダークフォトンや単純なスカラーシングレット/ダブレット拡張は異常を説明するのに苦戦。