[论文解读] Explaining the $W$ boson mass anomaly and dark matter with a $U(1)$ dark sector

Kai-Yu Zhang, Wan-Zhe Feng|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出对标准模型的 U(1) 暗物质规范扩展，以解释CDF合作组在W玻色子质量上观测到的7σ异常，并提供一个暗物质候选者。结果表明，具有混合超荷与重子数对称性的 U(1)_{A Y + B q} 模型可产生77 MeV的W玻色子质量增强，而纯动能混合模型仅能实现约10 MeV的增强。该模型还提供了一个质量在数百GeV至TeV范围内的可行费米子型暗物质候选者。

ABSTRACT

The $W$ boson mass recently reported by the CDF collaboration shows a deviation from the standard model prediction with an excess at $7σ$ level. We investigate two simple extensions of the standard model with an extra $U(1)$ dark sector. One is the $U(1)_x$ extension, where the $U(1)_x$ gauge field mixes with the standard model through gauge kinetic terms. The other is a general $U(1)_{\mathbf{A} Y+\mathbf{B} q}$ extension of the standard model. Fitting various experimental constraints we find the $U(1)_x$ extension with only kinetic mixing can enhance the $W$ boson mass for at most 10~MeV. While the $U(1)_{\mathbf{A} Y+\mathbf{B} q}$ extension can easily generate 77~MeV enhancement of the $W$ boson mass and also offer a viable dark matter candidate with mass ranging from several hundred GeV to TeV, which may be detected by future dark matter direct detection experiments with improved sensitivities.

研究动机与目标

• 解释CDF对W玻色子质量测量结果与标准模型预测之间7σ偏差的原因。
• 提供一个与宇宙学剩余密度及直接/间接探测约束一致的可行暗物质候选者。
• 研究具有动能混合或广义U(1)规范对称性的U(1)暗物质规范是否能同时解决W玻色子质量异常并提供暗物质。
• 评估在电弱精确测量约束下（特别是Z玻色子衰变宽度约束）这些模型的可行性。
• 在当前实验约束下，确定每种模型可实现的最大W玻色子质量增强量。

提出的方法

• 构建标准模型的 U(1)_x 扩展，通过规范动能项实现暗物质U(1)_x 规范玻色子与标准模型超荷U(1)_Y之间的动能混合。
• 利用S、T、U非斜交参数形式，计算暗物质规范中新增物理贡献对W玻色子质量的修正。
• 引入广义U(1)_{A Y + B q} 对称性，其中新U(1)为超荷与重子数的线性组合，以增强混合效应。
• 利用混合角与动能混合参数，计算两种模型中Z玻色子对SM费米子的有效耦合。
• 计算Z玻色子衰变为费米子对的宽度，并与实验值比较，以约束模型参数。
• 通过Z'规范玻色子通道的湮灭过程计算暗物质的剩余密度，并与直接与间接探测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有动能混合的U(1)暗物质规范是否能解释CDF观测到的77 MeV W玻色子质量增强？
• RQ2 在当前实验约束下，纯动能混合U(1)_x 模型可实现的最大W玻色子质量增强量是多少？
• RQ3 U(1)_{A Y + B q} 模型是否能产生77 MeV的W玻色子质量偏移，同时与电弱精确可观测量保持一致？
• RQ4 U(1)_{A Y + B q} 模型是否提供一个质量在100 GeV至TeV范围内的可行费米子型暗物质候选者？
• RQ5 直接与间接暗物质探测约束如何限制U(1)_{A Y + B q} 模型中暗物质候选者的可行参数空间？

主要发现

• 纯动能混合U(1)_x 模型对W玻色子质量的增强最多仅为10 MeV，不足以解释CDF观测到的77 MeV异常。
• U(1)_{A Y + B q} 模型可产生77 MeV的W玻色子质量增强，与CDF测量结果在1σ不确定度范围内一致。
• 两种模型中Z玻色子的衰变宽度均处于实验误差范围内（±0.0023 GeV），偏差仅为0.7–1.0 MeV，表明与电弱精确测量数据兼容。
• U(1)_{A Y + B q} 模型提供了一个质量在数百GeV至1 TeV范围内的费米子型暗物质候选者，其剩余密度与观测结果一致。
• U(1)_{A Y + B q} 模型中的基准参数点满足当前直接与间接暗物质探测约束，未来实验有望实现探测。
• 该模型在电弱精确测试下依然可行，因为修正后的Z玻色子衰变宽度仍处于实验值2.4952 ± 0.0023 GeV的范围内。