[논문 리뷰] Right-handed neutrinos and the CDF II anomaly

Mattias Blennow, Pilar Coloma외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 오른쪽 편향 중성자들이 CDF II에서 관측된 W 보손 질량 이상 현상에 기여할 수 있다고 제안한다. 이는 차원 6 연산자를 통해 PMNS 행렬의 비단위성(non-unitarity)을 유도함으로써, 예측된 $M_W$ 를 높여 CDF II 측정치와 일치시키며, 동시에 레프톤 유니버설리티와 $Z$ 의 투명하지 않은 너비와도 일관되지만, 연산자 계수를 제약 없이 허용하지 않는 한 캐비보 각도 이상 현상은 악화된다.

ABSTRACT

We point out that right-handed neutrinos can resolve the tension between the latest CDF II measurement of the $W$-boson mass, $M_W$, and the standard model. Integrating out the new states yields a single $d=6$ operator, which induces a deviation from unitarity in the PMNS matrix. This alters the extraction of the Fermi constant from muon decay and increases the prediction for $M_W$, in line with the CDF II result. Non-unitarity of the PMNS matrix would also affect beta, meson, and tau decays. We find that the CDF II value for $M_W$ can be explained without conflicting with lepton flavour universality constraints or the invisible decay width of the $Z$. However, the so-called Cabibbo angle anomaly is worsened if right-handed neutrinos are the origin of the $d=6$ operator. The situation improves if the operator coefficient is left unconstrained, implying additional sources of new physics, but a common explanation of both anomalies is in tension with universality bounds.

연구 동기 및 목표

• 오른쪽 편향 중성자들이 CDF II의 W 보손 질량 이상 현상과 캐비보 각도 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는지 탐색한다.
• 중성자 질량이 큰 오른쪽 편향 중성자에 의해 유도된 차원 6 효과적 연산자에 의해 발생하는 PMNS 행렬 요소의 비단위성 영향을 조사한다.
• 레프톤 유니버설리티, $Z$ 의 투명하지 않은 너비, 기존의 플레이버 제약과의 일관성을 평가한다.
• 양의 준정의 연산자 계수를 가정할 때, 두 이상 현상에 대한 공통 설명이 가능할지 결정한다.
• 이론 물리학적 스케일에서의 새로운 물리 현상, 특히 중성자 혼합과 충돌기 서명에 대한 영향을 평가한다.

제안 방법

• 중성자 질량이 큰 오른쪽 편향 중성자를 통합함으로써 차원 6 효과적 연산자 $\mathcal{O}_{d=6} = \bar{\ell}_L \tilde{H} c_{\mathcal{O}} i\not{\partial}(\tilde{H}^\dagger \ell_L)$ 를 유도한다.
• 연산자 계수 $c_{\mathcal{O}}$ 를 PMNS 행렬 비단위성을 유도하는 행렬 $\eta = Y_\nu \Lambda^{-2} Y_\nu^\dagger v^2 / 4$ 와 연결한다.
• 뮤온 붕괴와 $W$ 보손 자기에너지 보정을 통해 Fermi 상수 $G_F$ 와 $M_W$ 예측의 수정을 계산한다.
• $M_W$, $V_{ud}$, 레프톤 유니버설리티 비율, $Z$ 의 투명하지 않은 너비를 포함한 전반적 피팅을 수행하며, $\eta_{ee}$ 와 $\eta_{\mu\mu}$ 를 변화시킨다.
• CDF II의 $M_W$ 측정치와 캐비보 이상 현상 포함 또는 배제한 시나리오에 대해 $\chi^2$ 적합도와 $p$-값을 평가한다.
• 공통 설명이 가능한데도 불구하고, $\eta$ 가 최소한의 시이브 UV 완성에서 양의 준정의여야 한다는 조건과의 갈등을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오른쪽 편향 중성자들이 비단위성 PMNS 행렬 효과를 통해 CDF II에서 측정한 $M_W = 80.423 \pm 0.031$ GeV 를 설명할 수 있는가?
• RQ2 오른쪽 편향 중성자에 의해 유도된 $d=6$ 연산자가 예측된 $M_W$ 에서 유의미한 이동을 일으켜 CDF II와의 갈등을 줄이는가?
• RQ3 유도된 비단위성은 $K$ 와 $B$ 붕괴에서의 레프톤 유니버설리티 제약과 $Z$ 의 투명하지 않은 너비와 일치하는가?
• RQ4 동일한 $d=6$ 연산자가 동시에 캐비보 각도 이상 현상을 해결할 수 있는가? 만약 그렇지 않다면 왜 악화되는가?
• RQ5 연산자 계수가 정의되지 않은 상태로 허용될 경우, 두 이상 현상을 동시에 해결하기 위해 모델의 UV 완성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 오른쪽 편향 중성자들의 포함은 PMNS 행렬의 비단위성을 유도하는 차원 6 연산자를 생성하며, 이는 예측된 $M_W$ 를 CDF II 측정치와 일치시키기 위해 증가시킨다.
• CDF II의 $M_W$ 이상 현상만 설명하는 최적의 시나리오는 $\chi^2/n_{\rm dof} = 3.3/2$ 를 보이며, 표준모형 대비 $6.8\sigma$ 의 유의미한 차이를 보인다.
• 모델은 $\eta_{ee} \sim \eta_{\mu\mu} \sim 3 \times 10^{-3}$ 를 예측하며, 이는 무거운 중성자와 $\nu_e$, $\nu_\mu$ 사이의 약 $\sim 0.07$ 의 혼합을 의미한다.
• 요카와 결합 상수가 $\mathcal{O}(1)$ 인 경우, 무거운 중성자 질량은 테바 스케일로 추정되며, 향후 충돌기 탐색에 접근 가능하다.
• 두 이상 현상에 대한 공통 설명은 연산자 계수가 정의되지 않은 상태로 허용되지 않는 한 레프톤 유니버설리티와 갈등을 빚는다. 이 경우 더 복잡한 UV 완성을 요구하게 된다.
• 모든 데이터를 포함한 전반적 피팅은 $\chi^2/n_{\rm dof} = 40.1/7$ 을 보이며, 이는 $p$-값이 $1.3 \times 10^{-6}$ 인 것으로 나타나, 이상 현상과 표준모형 사이에 상당한 갈등이 있음을 시사한다.