[论文解读] A model explaining the new CDF II W boson mass linking to muon $g-2$ and dark matter

Keiko Nagao, Takaaki Nomura+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种可重整化的U(1)规范对称性扩展的规范模型，引入了矢量型轻子和一个惰性标量双重态，以同时解释CDF II实验中W玻色子质量的异常、μ子的$g-2$偏差以及一个可行的暗物质候选粒子。该模型通过无手征性抑制的圈图贡献实现了显著的μ子$g-2$，并通过惰性标量带来的正$Δ T$修正解决了W玻色子质量过高的问题，同时该惰性标量的实部作为与宇宙微波背景辐射密度和直接探测约束一致的暗物质候选者。

ABSTRACT

We propose a model to explain the W boson mass anomaly reported by the CDFII collaboration that would suggest new physics (NP). We introduce exotic fermions; one isospin doublet vector-like lepton, one isospin singlet singly-charged vector-like lepton, and an isospin doublet inert scalar. The proposed model provides sizable muon anomalous magnetic moment (muon $g-2$) due to no chiral suppression and nonzero mass difference between the real and imaginary parts of neutral inert scalar bosons. The inert scalar mass squared difference and vector-like exotic leptons ($L', E'$ in the main text) affect oblique parameters. Especially, the $T$-parameter shift from zero explains the W boson mass anomaly. We search for the allowed parameter region to explain both muon $g-2$ and W boson mass anomaly at the same time. We also discuss a dark matter (DM) candidate assuming the real part of the inert scalar field to be the one. We find that lighter DM mass is favored to be consistent with experimental constraints.

研究动机与目标

• 解释CDF II实验中W玻色子质量测量结果与标准模型预测之间7$\sigma$的偏差。
• 同时解释μ子反常磁矩($g-2$)的4.2$\sigma$偏差。
• 提供一个与宇宙学和直接探测约束一致的可行暗物质候选者。
• 识别一个参数空间，使得所有三个异常均能在单一可重整化模型中得到解释。

提出的方法

• 引入一个扩展的标量 sector，包含一个同位旋双重态的惰性标量($\eta$)和一个$Z_2$对称性，以稳定暗物质候选者。
• 假设存在两个矢量型费米子：一个同位旋双重态($L'$)和一个单态($E$)，二者均带有新的$U(1)$规范对称性电荷。
• 计算来自矢量型费米子和惰性标量的单圈图对斜率参数($\Delta T$, $\Delta S$)的贡献，其中标量贡献了正的$\Delta T$，以解决W玻色子质量异常问题。
• 通过涉及矢量型轻子的带电流相互作用，评估对μ子$g-2$的单圈图贡献，由于其矢量型性质，该贡献不受μ子质量的抑制。
• 推导暗物质候选者($\eta_R$)的遗迹密度，并通过$Z'$-介导的$Z$-玻色子交换过程计算直接探测截面。
• 对参数空间进行数值扫描，以识别满足$ m_W $异常、$g-2$偏差以及暗物质约束的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一模型能否同时解释CDF II实验中W玻色子质量异常、μ子$g-2$偏差，并提供一个可行的暗物质候选者？
• RQ2 惰性标量($\eta_R$和$\eta_I$)实部与虚部之间的质量劈裂在产生显著$g-2$贡献中起到什么作用？
• RQ3 矢量型费米子和惰性标量如何贡献于斜率$T$-参数？它们能否解释W玻色子质量测量所需的正$Δ T$？
• RQ4 在何种参数空间范围内，该模型能够满足所有实验约束，包括暗物质的遗迹密度和直接探测限制？

主要发现

• 该模型通过非手征性、矢量型费米子圈图实现了显著的μ子$g-2$贡献，且该效应因$\eta_R$与$\eta_I$之间非零的质量平方劈裂而增强。
• 惰性标量双重态对$T$-参数提供了正贡献，这对解释CDF II实验中W玻色子质量的过剩至关重要，而矢量型费米子则贡献负的$\Delta T$。
• 可行的暗物质候选者被识别为惰性标量的实部($\eta_R$)，其质量较轻更有利于满足直接探测约束。
• 该模型成功地同时解释了W玻色子质量异常和μ子$g-2$偏差，当考虑暗物质约束时，μ子$g-2$的计算值落在实验值的3$\sigma$范围内。
• 数值分析证实存在一个可行的参数区域，使得所有三个异常均能被解释，其中$T$-参数的改变是导致W玻色子质量偏差的主要机制。