[论文解读] Beta-decay implications for the W-boson mass anomaly

Vincenzo Cirigliano, Wouter Dekens+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文表明，在标准模型有效场论（SMEFT）中，对W玻色子质量异常进行全局拟合时，若排除β衰变约束，则会预测第一行CKM矩阵单位性出现显著的、百分之一量级的破坏——这与高精度的低能实验数据相矛盾。为解决这一矛盾，作者证明，通过引入具有非零威尔逊系数 $-(0.082 \pm 0.045)\,\text{TeV}^{-2}$ 的 $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ 算符，可在0.1%精度内恢复CKM单位性，同时仍能解释W玻色子质量异常，且该方案与当前LHC对 $pp \to ll$ 过程的约束一致。

ABSTRACT

We point out the necessity to consider $β$-decay observables in resolutions of the $W$-boson anomaly in the Standard Model Effective Field Theory that go beyond pure oblique corrections. We demonstrate that present global analyses that explain the $W$-boson mass anomaly predict a large, percent-level, violation of first-row CKM unitarity. We investigate what solutions to the $W$-boson mass anomaly survive after including $β$-decay constraints.

研究动机与目标

• 解决SMEFT全局拟合中W玻色子质量异常与CKM单位性高精度低能数据之间的不一致性。
• 指出排除β衰变可观测量的标准EWPO拟合会预测出约1%的第一行CKM单位性破坏。
• 证明在SMEFT算符集合中引入 $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ 可实现对W玻色子质量异常与CKM单位性的自洽解释。
• 评估此类解在现有LHC对 $pp \to ll$ 过程约束下的可行性。
• 强调在未来SMEFT全局拟合中，应将 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 和β衰变可观测量作为标准输入。

提出的方法

• 使用六维SMEFT算符的华沙基来参数化标准模型的偏离。
• 应用线性SMEFT近似，通过威尔逊系数 $C_{HWB}, C_{HD}, C_{Hl}^{(3)}, C_{ll}$ 计算 $m_W$ 的修正，如式 (2.2) 所示。
• 利用参考文献[12]中的EWPO数据重构 $\chi^2$，并引入 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 作为新约束。
• 引入组合量 $C_{\Delta} = 2(C_{Hq}^{(3)} - C_{Hl}^{(3)} + \hat{C}_{ll})$ 以追踪CKM单位性破坏。
• 在将 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 作为约束的条件下重新拟合威尔逊系数，允许 $C_{lq}^{(3)}$ 非零，从而解耦单位性破坏。
• 将所得 $C_{lq}^{(3)}$ 值与参考文献[43]中单耦合和全局拟合得到的13 TeV $pp \to ll$ 过程的LHC约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否排除β衰变约束的SMEFT全局拟合在解释W玻色子质量异常时，会导致第一行CKM单位性出现不可接受的大规模破坏？
• RQ2 在SMEFT算符集合中引入 $\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ 是否能缓解W玻色子质量异常与CKM单位性之间的张力？
• RQ3 为恢复CKM单位性并解释 $m_W$ 异常，所需 $C_{lq}^{(3)}$ 威尔逊系数的大小是多少？
• RQ4 $C_{lq}^{(3)}$ 的结果值是否与现有LHC对 $pp \to ll$ 过程的约束一致？
• RQ5 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$、EWPO与LHC约束在允许的参数空间中如何相互作用？

主要发现

• 排除β衰变可观测量的SMEFT全局拟合在解释W玻色子质量异常时，预测 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 破坏约为1%，远超当前CKM单位性测定中观察到的0.1%张力水平。
• 为恢复CKM单位性，$\mathcal{O}_{lq}^{(3)}$ 算符所需的威尔逊系数为 $C_{lq}^{(3)} = -(0.082 \pm 0.045)\,\text{TeV}^{-2}$，该值与来自全局拟合的95%置信水平LHC约束 $-(0.05 \pm 0.1)\,\text{TeV}^{-2}$ 一致。
• 单耦合LHC对 $C_{lq}^{(3)}$ 的限制为 $-(0.028 \pm 0.028)\,\text{TeV}^{-2}$（95%置信水平），该值接近排除由EWPO和 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 拟合所青睐的区域。
• 该解要求 $C_{lq}^{(3)}$ 非零，从而在 $pp \to ll$ 过程中引入新的对撞机信号，使其可在HL-LHC上被检验。
• 在SMEFT全局拟合中引入 $\Delta_{\mathrm{CKM}}$ 作为约束条件至关重要，且目前尚未被充分使用，因其显著限制了可行的新物理解释。
• 若考虑威尔逊系数的味非幺正性或引入含右手电流的算符，可能进一步放松约束，但本文采用的MFV假设提供了最简且一致的扩展方案。