[논문 리뷰] Speculations on the W-Mass Measurement at CDF

Jiayin Gu, Zhen Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 예측에서 7σ의 편차를 보인 CDF II 실험의 W 보손 질량 측정치를 효과적 양자장이론 프레임워크 내에서 전자약력 전역 피팅을 사용해 분석하여 긴장과 새로운 물리 모델의 제약을 평가한다. 비동일한 토프 스쿼크의 부드러운 질량과 페르미온을 피하는 Z′ 보손은 LHC 제약 조건과도 일치하는 타당한 설명을 제공하며,未래 충돌기에서의 이론적·실험적 탐구의 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

The W Mass determination at the Tevatron CDF experiment reported a deviation from the SM expectation at 7$σ$ level. We discuss a few possible interpretations and their collider implications. We perform electroweak global fits under various frameworks and assumptions. We consider three types of electroweak global fits in the effective-field-theory framework: the $S$-$T$, the $S$-$T$-$δG_F$, and the eight-parameter flavor-universal one. We discuss the amounts of tensions between different $m_W$ measurements reflected in these fits and the corresponding shifts in central values of these parameters. With these electroweak fit pictures in hand, we present a few different classes of models and discuss their compatibility with these results. We find that while explaining the $m_W$ discrepancy, the single gauge boson extensions face strong LHC direct search constraints unless the $Z'$ is fermiophobic (leptophobic) which can be realized if extra vector fermions (leptons) mix with the SM fermions (leptons). Vector-like top partners can partially generate the needed shift to the electroweak observables. The compatibility with top squark is also studied in detail. We find non-degenerate top squark soft masses enhance the needed operator coefficients, enabling an allowed explanation compatible with current LHC measurements. Overall, more theory and experimental developments are highly in demand to reveal the physics behind this discrepancy.

연구 동기 및 목표

• CDF II 실험이 정밀하게 측정한 W 보손 질량 측정치가 표준모형 예측에서 7σ 편차를 보이는 데 따른 영향을 평가하기 위해.
• 전자약력 전역 피팅을 사용하여 CDF 결과와 다른 실험적 $m_W$ 측정치 간의 긴장을 평가하기 위해.
• 기존 LHC 제약 조건과도 일치하는 새로운 물리 모델을 특정하여 $m_W$ 편차를 설명할 수 있는지를 규명하기 위해.
• 비동일한 토프 스쿼크의 부드러운 질량과 페르미온을 피하는 Z′ 보손이 전자약력 관측치의 관측된 이동을 어떻게 유도하는지 탐구하기 위해.
• 미래 충돌기에서 정밀 측정을 통해 $m_W$ 수수께끼를 해결하기 위한 향후 이론적·실험적 노력의 방향을 안내하기 위해.

제안 방법

• 세 가지 효과적 양자장이론 프레임워크인 $S$-$T$, $S$-$T$-$\delta G_F$, 그리고 8개의 파rameter를 가진 풍미 무관 모델에서 전자약력 전역 피팅을 수행한다.
• 다양한 모델의 $m_W$ 측정치 간 긴장을 정량화하기 위해 $\chi^2$ 값을 계산하고 표준모형 피팅과 비교한다.
• 기울기 파ram터를 사용한 $W'$ 및 $Z'$ 모델을 분석하며, LHC 제약 조건을 줄이기 위해 페르미온을 피하는(레프톤을 피하는) 결합을 중시한다.
• 벡터-유사한 토프 파artner와 토프 스쿼크 모델을 연구하며, 비동일한 부드러운 질량이 연산자 계수 생성에 미치는 영향을 특히 분석한다.
• 톱 스쿼크 부문에서 이론적 제약 조건을 적용하며, 특히 $A_t^2$-bound 관계를 통해 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 모델이 힉스 질량과 정밀 힉스 프로그램과의 일치성을 어떻게 확보하는지 평가하며, 큰 혼합이 힉스 질량을 안정화시킬 수 있음을 주목한다.

Figure 1: Results from a 2-parameter fit of $S$ and $T$ (solid contours) and a 3-parameter fit of $S$ , $T$ and $\delta G_{F}$ (dashed contours) to the current EW precision measurements. The “old” scenario (cyan) uses the current PDG world-average $m_{W}$ measurement, while the “new CDF” scenario (m

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF II의 $m_W$ 측정치와 표준모형 예측 간 긴장 수준은 어떠하며, 다른 실험적 측정치와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ2 Z′, W′, 토프 파artner, 또는 토프 스쿼크와 같은 새로운 물리 모델 중에서 LHC 직접 탐색 제약 조건을 충족하면서도 $m_W$ 편차를 설명할 수 있는 것은 무엇인가?
• RQ3 비동일한 토프 스쿼크의 부드러운 질량은 초대칭 모델이 전자약력 관측치에 필요한 이동을 생성하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 페르미온을 피하는 또는 렙톤을 피하는 Z′ 보손은 LHC 제약 조건을 피할 수 있으며 여전히 $m_W$ 이상 현상에 기여할 수 있는가?
• RQ5 $m_W$ 편차는 향후 충돌기 프로그램에 어떤 영향을 미치며, 특히 새로운 물리 스케일과 측정 정밀도 측면에서 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• CDF II 측정치는 $m_W = 80433.5 \pm 9.4$ MeV를 보이며, 표준모형 예측인 $80357 \pm 6$ MeV에서 7σ의 편차를 보인다.
• 전자약력 전역 피팅 결과, $S$-$T$-$\delta G_F$ 및 풍미 무관 8파rameter 피팅은 CDF 데이터에 대해 $\chi^2 \approx 17$를 기록하여 표준모형보다 더 높은 일치도를 보인다.
• 단일 게이지 보손 확장($Z'$, $W'$)은 페르미온을 피하는 경우를 제외하고는 LHC 제약 조건에 의해 강하게 제한된다. 이는 벡터-유사한 렙톤 또는 페르미온과의 혼합을 통해 실현될 수 있다.
• 벡터-유사한 토프 파artner는 전자약력 관측치의 일부 이동을 생성할 수 있지만, 완전한 설명을 위해서는 추가적인 역학이 필요하다.
• 비동일한 토프 스쿼크의 부드러운 질량은 필요한 연산자 계수를 증가시켜 LHC 데이터와의 일치를 유지할 수 있도록 도와주며, 이는 동일한 질량의 경우와는 대조된다.
• 톱 스쿼크 모델의 선호되는 매개변수 영역은 큰 혼합을 유도하며, 이는 힉스 질량을 안정화시킬 수 있지만, 본 연구에서는 이에 대한 직접 피팅은 이루어지지 않았다.

Figure 2: One-sigma bounds from the 8-parameter SMEFT fit with the operator coefficients listed in Equation 6 and Table 3 . The “old” scenario (cyan) uses the current PDG world-average $m_{W}$ measurement, while the “new CDF” scenario (magenta) uses the new CDF measurement alone for $m_{W}$ . Note t