[论文解读] Type II Dirac Seesaw with Observable $ΔN_{ m eff}$ in the light of W-mass Anomaly

Debasish Borah, Satyabrata Mahapatra+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Algebraic and Geometric Analysis被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种带有实标量三重态的II型狄拉克 seesaw 模型，该模型在树图层次上同时解释了CDF实验中W玻色子质量的异常，并生成了轻的狄拉克中微子质量。该模型预测，通过热或非热产生的右手中微子将导致有效相对论自由度的可观测增强（$ abla N_{\rm eff}$），未来宇宙学实验可能探测到这一现象。

ABSTRACT

We propose a type II seesaw model for light Dirac neutrinos to provide an explanation for the recently reported anomaly in W boson mass by the CDF collaboration with $7σ$ statistical significance. In the minimal model, the required enhancement in W boson mass is obtained at tree level due to the vacuum expectation value of a real scalar triplet, which also plays a role in generating light Dirac neutrino mass. Depending upon the couplings and masses of newly introduced particles, we can have thermally or non-thermally generated relativistic degrees of freedom $ΔN_{ m eff}$ in the form of right handed neutrinos which can be observed at future cosmology experiments. Extending the model to a radiative Dirac seesaw scenario can also accommodate dark matter and lepton anomalous magnetic moment.

研究动机与目标

• 使用新物理机制解释CDF合作组测量到的W玻色子质量7σ偏差。
• 构建一个最小化的狄拉克 seesaw 模型，其中实标量三重态在树图层次上同时实现中微子质量生成和W玻色子质量增强。
• 探讨由热或非热产生的右手中微子所引发的额外相对论自由度（$\\Delta N_{\\rm eff}$）的宇宙学影响。
• 将模型扩展为辐射 seesaw 机制，同时容纳暗物质和轻子反常磁矩。
• 评估该模型与电弱精确可观测量（特别是S和T参数）的相容性，并减轻与$\theta_W$测量结果之间的张力。

提出的方法

• 引入一个具有真空期望值（VEV）的实标量三重态$\Omega$，其在树图层次上贡献于W玻色子质量，从而解决CDF异常。
• 实施一个软性破缺的$Z_2$对称性，以禁止树图层次的马约拉纳质量项并确保轻子数守恒。
• 通过向量型费米子双态$\Psi$和Yukawa耦合，利用维数六算符实现轻狄拉克中微子质量的II型 seesaw 机制。
• 根据耦合常数和质量，计算右手中微子通过热或非热产生机制所导致的有效相对论自由度$\Delta N_{\rm eff}$。
• 通过引入额外的标量双态和费米子单态，将模型扩展为辐射 seesaw 机制，使暗物质成为单态-双态狄拉克费米子，并生成反常磁矩。
• 通过S和T参数约束评估模型的物理学内涵，确保与电弱精确数据及暗物质直接探测限制的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在狄拉克 seesaw 模型中，实标量三重态是否能同时在树图层次上解释CDF实验中W玻色子质量的异常并生成轻中微子质量？
• RQ2 该模型中右手中微子引发的$\Delta N_{\rm eff}$的大小和来源（热或非热）是什么？是否可被未来的宇宙学实验探测？
• RQ3 该模型的辐射版本能否容纳作为单态-双态狄拉克费米子的暗物质，同时与直接探测和遗迹密度约束保持一致？
• RQ4 标量双态和三重态对S和T参数的贡献如何影响CDF实验中W玻色子质量与LEP测量的$\theta_W$之间张力？
• RQ5 该模型在不违反其他物理约束的前提下，能否通过约等于1的Yukawa耦合解释电子和μ子的反常磁矩？

主要发现

• 该模型通过实标量三重态的真空期望值在树图层次上实现了W玻色子质量的增强，与CDF测量的$M_W = 80433.5 \pm 9.4$ MeV结果一致。
• 来自向量型费米子双态的右手中微子可通过热或非热产生机制生成$\Delta N_{\rm eff}$，其增强受到普朗克2018年数据的约束，但未来CMB实验可能探测到。
• 该模型中$Z_2$奇费米子在圈图中对S和T参数的贡献分别为$\mathcal{O}(10^{-4})$和$\mathcal{O}(10^{-7})$，与电弱精确数据保持一致。
• 在辐射 seesaw 扩展中引入标量双态和费米子单态后，可实现一个质量达数百GeV、遗迹密度与观测一致的可行单态-双态狄拉克费米子暗物质候选者。
• 该模型可通过约等于1的Yukawa耦合生成电子和μ子的反常磁矩，同时与直接探测和$g-2$测量等其他约束保持兼容。
• 三重态（树图层次）与标量双态（单圈层次）对T参数的联合贡献可减轻CDF实验中W玻色子质量异常与$\theta_W$测量值之间的张力，从而实现更一致的电弱拟合。