[论文解读] Hadronic Uncertainties versus New Physics for the $W$ boson Mass and Muon $g-2$ Anomalies

Peter Athron, Andrew Fowlie+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文研究了观测到的 $W$ 玻色子质量与μ子 $g-2$ 异常是否可由标准模型的强子不确定性解释，还是需要新物理。通过执行全局电弱拟合并允许强子贡献 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 自由浮动，发现 $W$ 质量与 $g-2$ 异常对 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 的拉力方向相反，因此在标准模型内无法同时解决这两个异常。结果表明，若 CDF 的 $W$ 质量测量正确，则无论哪一个异常，新物理都是不可避免的。

ABSTRACT

There are now two single measurements of precision observables that have major anomalies in the Standard Model: the recent CDF measurement of the $W$ mass shows a $7σ$ deviation and the Muon $g-2$ experiment at FNAL confirmed a long-standing anomaly, implying a $4.2 σ$ deviation. Doubts regarding new physics interpretations of these anomalies could stem from uncertainties in the common hadronic contributions. We demonstrate that these two anomalies pull the hadronic contributions in opposite directions by performing electroweak fits in which the hadronic contribution was allowed to float. The fits show that including the $g - 2$ measurement worsens the tension with the CDF measurement and conversely that adjustments that alleviate the CDF tension worsen the $g-2$ tension beyond $5 σ$. This means that if we adopt the CDF $W$ mass measurement, the case for new physics in either the $W$ mass or muon $g-2$ is inescapable regardless of the size of the SM hadronic contributions. Lastly, we demonstrate that a mixed scalar leptoquark extension of the Standard Model could explain both anomalies simultaneously.

研究动机与目标

• 评估 $W$ 玻色子质量与μ子 $g-2$ 异常是否可由标准模型中强子贡献的不确定性解释。
• 确定 CDF 测量中 $7\sigma$ 偏离的 $W$ 玻色子质量与 $4.2\sigma$ 的 $g-2$ 异常，是否可通过调节 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 在标准模型内实现一致。
• 评估 CDF $W$ 质量与 $g-2$ 测量之间的张力是否可通过改变强子输入参数解决，或是否必须引入新物理。
• 探索标量轻子味子模型作为同时解释两个异常的统一机制。
• 量化在 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 自由浮动的情况下，包含 CDF $W$ 质量测量对 $g-2$ 张力的影响。

提出的方法

• 使用包含 $M_W$、$\Gamma_Z$、$M_Z$、$A_{\text{FB}}$、$R_b$、$R_c$ 和 $\sigma_h^0$ 的精确电弱数据进行全局电弱拟合，将 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 视为自由参数。
• 利用 $e^+e^-$ 截面数据与格点 QCD 结果（BMWc）来约束不同拟合情景下的 $\Delta\alpha_{\text{had}}$。
• 应用低能投影公式，将 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 与 $a_\mu$ 的强子真空极化贡献联系起来。
• 将标准模型对 $M_W$ 与 $a_\mu$ 的预测与实验测量值进行比较，以 $\sigma$ 单位计算张力。
• 引入一种混合标量轻子味子模型，以同时解释两个异常，其耦合至 $\mu$ 与 $q$ 夸克。
• 分析轻子味子模型中 $a_\mu$ 与 $\text{BR}(h \to \mu\mu)$ 之间的相关性，以检验与约束的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过在标准模型内调节强子贡献 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 同时解决 $W$ 玻色子质量与μ子 $g-2$ 异常？
• RQ2 在 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 自由浮动的情况下，包含 CDF $W$ 质量测量如何影响 $g-2$ 预测的张力？
• RQ3 调节 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 对 $W$ 质量与 $g-2$ 测量联合张力的影响如何？
• RQ4 标量轻子味子模型是否能同时解释 $W$ 玻色子质量与μ子 $g-2$ 异常？
• RQ5 从 $h \to \mu\mu$ 分支比与 $g-2$ 一致性出发，对轻子味子模型有何约束？

主要发现

• 当 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 自由浮动时，包含 CDF $W$ 质量测量会使与 $g-2$ 异常的张力从 $5.7\sigma$ 升至 $7.7\sigma$。
• 缓解 $W$ 质量张力的调整（例如减小 $\Delta\alpha_{\text{had}}$）会使 $g-2$ 张力超过 $5\sigma$，表明 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 受到相反方向的拉力。
• 当 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 固定时，$80.4335 \pm 0.0094$ GeV 的 $W$ 质量测量与标准模型预测存在 $7.2\sigma$ 的张力，即使 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 自由浮动，该张力仍高于 $5\sigma$。
• 当包含 CDF $W$ 质量测量且 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 自由浮动时，$g-2$ 异常与标准模型的张力仍为 $7.7\sigma$，表明若 CDF 测量正确，则新物理不可避免。
• 一个具有 $\lambda_L = 10^{-1}$ 和 $30$ GeV 质量分裂的混合标量轻子味子模型可同时解释两个异常，且 $h \to \mu\mu$ 分支比与当前限制一致。
• 包含 CDF $W$ 质量的拟合中 $\chi^2/\text{dof}$ 显著增加（例如 $65.07/16$），表明存在无法通过强子不确定性解决的强烈统计张力。