[论文解读] Explanation of the $W$ mass shift at CDF II in the Georgi-Machacek Model

Ting-Kuo Chen, Cheng-Wei Chiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出对Georgi-Machacek模型的最小扩展，通过在标量势中引入规范同位旋对称性破缺项，以解释CDF II观测到的$W$玻色子质量异常。通过允许同位旋三重态标量场的非对齐真空期望值（VEVs），该模型实现了辐射修正一致的框架，成功重现了CDF II在7σ水平下测得的$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV，且在大部分参数空间中预测$κ_W > κ_Z$，原因在于$v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeV。

ABSTRACT

The CDF II experiment has recently determined the mass of the $W$ boson to be $m_W( ext{CDF II}) = 80.4335 \pm 0.0094~$GeV, which deviates from the standard model prediction at $7σ$ level. Although this new result is in tension with other experiments such as those at LHC and LEP, it is worth discussing possible implications on new physics by this anomaly. We show that this large discrepancy can be explained by non-aligned vacuum expectation values of isospin triplet scalar fields in the Georgi-Machacek model extended with custodial symmetry breaking terms in the potential. The latter is required to avoid an undesirable Nambu-Goldstone boson as well as to be consistent treatment of radiative corrections. With $m_W( ext{CDF II})$ as one of the renormalization inputs at the 1-loop level, we derive the required difference in the triplet vacuum expectation values, followed by a discussion of phenomenological consequences in the scenario.

研究动机与目标

• 解决CDF II对$W$玻色子质量的测量值（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）与标准模型预测值（$m_W = 80.357 \pm 0.006$ GeV）之间7σ的张力。
• 提供一个理论自洽的框架，通过在标量势中引入规范同位旋对称性破缺项，避免出现非物理的Nambu-Goldstone模式。
• 在容纳观测到的$W$玻色子质量偏移的同时，实现对辐射修正的自洽处理。
• 探索扩展的Georgi-Machacek模型中非对齐三重态VEVs的物理后果，特别是对规范玻色子和费米子耦合的影响。

提出的方法

• 通过在标量势中引入规范同位旋对称性破缺项，扩展Georgi-Machacek模型，以允许实标量和复标量同位旋三重态场的非对齐真空期望值（VEVs）。
• 将CDF II测得的$W$玻色子质量作为一阶辐射修正下的重整化输入，以确定所需三重态VEVs的差异。
• 从测量的$m_W$推导出条件$v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeV，以匹配观测到的异常。
• 对$v_\chi$进行参数扫描，以探索其导致的物理现象，包括耦合常数$\kappa_f$、$\kappa_W$、$\kappa_Z$以及带电Higgs玻色子的分支比。
• 分析其对$\rho$参数的影响，并通过辐射修正确保与电弱精确测量的一致性。
• 将$\kappa_f$和$\kappa_{\gamma}$的预测与ATLAS测量结果进行比较，以检验与现有数据的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在保持理论一致性的前提下，通过Georgi-Machacek模型的最小扩展来解释CDF II观测到的$W$玻色子质量异常？
• RQ2 为重现测量的$m_W$，实与复同位旋三重态Higgs场的真空期望值之间所需的差异是多少？
• RQ3 非对齐三重态VEVs如何影响该模型中的$\rho$参数以及$W$和$Z$玻色子的耦合？
• RQ4 在扩展模型中，$\kappa_f$、$\kappa_W$和$\kappa_Z$的耦合常数会产生哪些物理后果？
• RQ5 该模型能否在与ATLAS对$\kappa_f$和$\kappa_{\gamma}$的测量结果兼容的前提下，预测$\kappa_W > \kappa_Z$？

主要发现

• 为重现CDF II对$W$玻色子质量的测量，三重态真空期望值的差异为$v_\xi^2 - v_\chi^2 \simeq 21.34 \pm 2.52$ GeV。
• 该模型在大部分参数空间中预测$\kappa_W > \kappa_Z$，这是原始Georgi-Machacek模型中不存在的显著特征。
• $\kappa_f$可超过1，参数扫描中红色区域（$v_\chi \in [5,50]$ GeV）覆盖了$\kappa_f$从0.25到$\gtrsim 1.00$的范围，与ATLAS数据一致。
• 该模型预测$\kappa_{Z\gamma} \in (0.95, 1.15)$，与ATLAS测量值$1.43^{+0.31}_{-0.38}$存在张力，表明可能存在不一致。
• $H_1^\pm$和$H_2^\pm$的衰变分支比中，$tb$和$WZ$末态可能占主导，提示LHC中潜在的发现通道。
• 通过引入规范同位旋对称性破缺项，该模型避免了非物理的Nambu-Goldstone模式，确保了辐射修正理论框架的一致性。