[论文解读] Electroweak dark matter model accounting for the CDF $W$-mass anomaly

Jin-Wei Wang, Xiaojun Bi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 5

一句话总结

该论文提出一个带有惰性标量单重态和三重态多重态的两Higgs双峰模型，通过圈修正的非对角修正解释CDF W玻色子质量异常，同时通过最轻的中性态实现冷暗物质。在标量暗物质模型中，找到了满足W质量偏差、遗迹密度和直接探测约束的可行参数点；而在费米子型暗物质模型中，由于散射截面和遗迹密度约束过于严格，未能找到此类参数点。

ABSTRACT

Recently, the CDF collaboration reported a new measurement of the $W$ boson mass $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV, which shows a $\sim 7σ$ deviation from the standard model prediction $80.3545 \pm 0.0057$ GeV obtained by the electroweak (EW) global fit. This deviation can be explained by new physics generating moderate EW oblique parameters $S$, $T$, and $U$. In this work, we use the loop corrections induced by some extra EW multiplets to explain the CDF $M_W$ anomaly. The lightest neutral particle in the multiplets can also serve as a candidate of cold dark matter (DM). We consider two such models, namely singlet-triplet scalar DM and singlet-doublet fermionic DM models, and perform numerical scans to find the parameter points accounting for the $M_W$ anomaly. The constraints from the correct DM thermal relic density and direct detection are also taken into account. We find the parameter points simultaneously interpreting the $M_W$ anomaly and satisfying the DM requirements in the former model, but do not find such parameter points in the latter model.

研究动机与目标

• 通过电弱规范相互作用中的新物理解释CDF测量的W玻色子质量与标准模型预测之间的7σ偏差。
• 构建包含额外电弱多重态的模型，同时解释W质量异常并提供可行的冷暗物质候选者。
• 对参数空间进行数值扫描，以识别满足W质量异常、正确热遗迹密度和直接探测约束的参数点。
• 在相同理论框架下，比较标量与费米子型暗物质模型在解释该异常方面的可行性。
• 评估低于几百GeV的轻新物理通过圈修正产生非对角修正的理论可行性。

提出的方法

• 引入一个惰性实标量单重态和一个复标量三重态作为新的电弱多重态，通过非对角参数S、T和U产生对W玻色子质量的圈修正。
• 利用这些多重态的树图和圈图贡献计算W玻色子质量的偏移，匹配CDF观测到的ΔM_W ≈ 0.079 GeV偏差。
• 使用玻尔兹曼方程和湮灭/共湮灭过程计算最轻中性态（χ₁⁰）的热遗迹密度。
• 使用有效场论和圈图计算自旋无关（SI）和自旋依赖（SD）的暗物质-核子散射截面。
• 对参数空间进行全局数值扫描，施加CDF W质量测量、普朗克遗迹密度（Ωh² ≈ 0.12）和直接探测限制（PandaX-4T、PICO-60）的约束。
• 比较标量DM模型（单重态-三重态）与费米子型DM模型（单重态-双重态），以评估其在现象学可行性上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有惰性标量多重态的标量暗物质模型是否能同时解释CDF W玻色子质量异常，并满足宇宙学和直接探测约束？
• RQ2 为何包含外尔单重态和双重态多重态的费米子型暗物质模型即使满足W质量异常，仍无法产生可行的参数点？
• RQ3 在标量DM模型中，共湮灭、共振湮灭和禁用通道在实现正确遗迹密度方面起到什么作用？
• RQ4 SI和SD散射截面的直接探测约束如何限制两种模型中的可行参数空间？
• RQ5 为通过圈修正产生观测到的W质量偏移，新物理谱中的质量标度和质量劈裂需要达到何种程度？

主要发现

• 在单重态-三重态标量DM模型中，存在可行的参数点，能同时解释CDF W质量异常，满足正确的热遗迹密度，并符合直接探测限制。
• 标量DM模型中的可行参数点通常位于涉及共湮灭、共振湮灭或向禁用通道湮灭的特殊区域，以避免暗物质过量产生。
• 标量DM模型需要较小的标量耦合以避开直接探测约束，但若无非标准湮灭机制，则会导致暗物质过量。
• 在费米子型DM模型中，未发现能同时满足W质量异常、正确遗迹密度和直接探测约束的可行参数点。
• hχ₁⁰χ₁耦合为零或DM质量极轻（m_χ₁⁰ ~ 1 GeV）的参数区域无法解释W质量异常，或被自旋依赖的直接探测限制排除。
• 研究结论认为，在相同理论框架下，标量DM模型比费米子型DM模型更适于解释CDF W质量异常，原因在于其更丰富的湮灭通道和耦合结构。