[論文レビュー] Type III seesaw with R-parity violation in light of $m_W$ (CDF)

Anish Ghoshal, Nobuchika Okada+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、CERNのCDF実験によるWボソン質量測定値（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）が標準模型（SM）の予測（$80.357 \pm 0.006$ GeV）から7σのずれを示すことに起因する、R対称性の破壊を伴うMSSMのタイプIII見通し拡張を提案する。このモデルは、R対称性破壊項から誘導されるスカラー三重項の真空期待値を通じて、$m_W$ に木レベル補正を生成し、CDFとLEPの$\rho$パラメータ測定値の両方と$2\sigma$以内で整合する。同時に、数GeVの範囲に位置する長寿命の重力スティーノを、実現可能な暗黒物質候補として予測する。

ABSTRACT

Motivated by the recently reported measurement of the $W$ boson mass $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV by the CDF collaboration, we propose a type III seesaw extension of the minimal supersymmetric standard model (MSSM) which also includes an R-parity violating term. Without taking potential SUSY radiative corrections into account, we show that the CDF measurement of $M_W$ and the LEP measurement of the $ρ$ parameter can be simultaneously accommodated at the $2 σ$ level. A long-lived gravitino in a few GeV mass range is a unique viable dark matter candidate in this framework.

研究の動機と目的

• CDFによる$ m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeVの測定値と、標準模型（SM）による予測値$80.357 \pm 0.006$ GeVとの間の矛盾を解消すること。
• 大きな$m_W$のずれを、$\rho$パラメータ（$\rho = 1.0003 \pm 0.0005$）のLEP測定値と調和させることで、新しい物理の制約を受けること。
• タイプIII見通しでニュートリノ質量を説明すると同時に、実現可能な暗黒物質候補を提供する最小限のMSSM拡張を構築すること。
• ゲージ媒介型SUSY破れと、$SU(5)$のような大統一理論への埋め込みを保証すること。

提案手法

• タイプIII見通しを実現するために、二つの$SU(2)_L$三重項スピン1/2超多重項（$\Delta_i$）を導入し、$m_\nu \sim Y_D^T Y_D v^2 / (2m_\Delta)$の式により、軽いメイオラネオニュートリノ質量を生成する。
• R対称性破壊項$W_{\not R} = \sqrt{2}\lambda H_u^T \varepsilon \Delta_1 H_d$を追加し、$\langle \widetilde{\Delta}_1^0 \rangle = \frac{1}{2}\lambda A v_u v_d / m_\Delta^2$の真空期待値を誘導する。
• 誘導された$v_\Delta \sim \mathcal{O}(1$ GeV）を用いて、$m_W^2$ に木レベル補正を生成し、$m_Z^2$ を変化させないことで、$\rho$パラメータの制約を保つ。
• R対称性破壊カップリング$\varepsilon_k \sim (Y_D)^{1k} v_\Delta / \mu_H \lesssim 10^{-7}$が、ニュートリノ質量生成と矛盾しないように十分に小さいことを保証する。
• 質量が数GeVの長寿命重力スティーノを、非熱的で冷たい暗黒物質候補として特定し、$\psi_{3/2} \to \gamma + \nu$の崩壊により、寿命$\tau_{3/2} \sim 10^{30}$秒の程度を示す。
• モデルを$SU(5)$ GUTに埋め込み、三重項メッセンジャーをゲージ媒介型SUSY破れの場として特定することで、統一とSUSY破れの両方を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R対称性破壊を伴うタイプIII見通しMSSM拡張は、CDFによる$m_W$測定値とLEPによる$\rho$パラメータ制約の両方を同時に満たすことができるか？
• RQ2 観測された$m_W$のずれを説明するためには、誘導された真空期待値$v_\Delta$がどの程度の大きさである必要があるか？
• RQ3 R対称性破壊カップリングは、タイプIII見通しメカニズムによるニュートリノ質量生成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 数GeVの範囲に位置する長寿命重力スティーノは、このモデルにおいて実現可能な非熱的で冷たい暗黒物質候補として機能できるか？
• RQ5 このモデルは、ゲージ媒介型SUSY破れと$SU(5)$における大統一理論と両立可能か？

主な発見

• モデルは、CDFによる$m_W$測定値とLEPによる$\rho$パラメータ測定値の両方と$2\sigma$以内で整合し、両者の間にある見かけの矛盾を解消する。
• $m_W$のCDF測定値のずれを説明するためには$v_\Delta \sim \mathcal{O}(1$ GeV）が必要であり、$m_\Delta \sim \mathcal{O}(10^6$ GeV）のとき、$\lambda A \sim \mathcal{O}(10^{-3})$ GeVの大きさである。
• R対称性破壊カップリングは$\varepsilon_k \lesssim 10^{-7}$に制限され、これにより誘導されたニュートリノ質量が振動データと整合することが保証される。
• $m_\Delta \lesssim 6 \times 10^6$ GeVのとき、ヤコビカップリング$Y_D$は$\lesssim 10^{-4}$と推定され、物性的制約を満たす。
• 質量が数GeVの長寿命重力スティーノは、寿命$\tau_{3/2} \sim 10^{30}$秒の程度を示し、非熱的で冷たい暗黒物質候補として実現可能である。
• モデルは、ゲージ媒介型SUSY破れと$SU(5)$ GUTへの埋め込みと両立可能であり、インフレーションと統一の両立性を保つ。