[论文解读] Impact of CDF-II measurement of $M_W$ on the electroweak legacy of the LHC Run II

Eduardo da Silva Almeida, Alexandre Florindo Alves+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文使用最新的CDF-II对W玻色子质量的测量结果（$M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）和更新后的顶夸克质量，采用Hagiwara-Ishihara-Szalapski-Zeppenfeld（HISZ）基矢，重新评估了标准模型有效场论（SMEFT）的电弱全局拟合，直接约束了八个树图级电弱精确测量可观测量。主要发现为：新的$M_W$值使$S$-$T$平面的约束向正$T$方向移动，导致与标准模型存在$\sim 3\sigma$的偏离；而仅$f_{BW}$、$f_{\Phi,1}$和$f^{(1)}_{\Phi,e}$在全局拟合中显示出显著变化，其余所有系数在$1\sigma$不确定度范围内仍与零兼容。

ABSTRACT

We analyze the impact of the recently released CDF-II measurement of $W$ mass on the SMEFT analyses of the electroweak precision data as well as Higgs and electroweak diboson productions. We work in the Hagiwara, Ishihara, Szalapski, and Zeppenfeld basis in which eight generation-independent operators enter in the electroweak precision data at tree level and, unlike in the Warsaw basis, the analysis of that set of data constrains all the eight Wilson coefficients, without the need of combination with Higgs or electroweak diboson data results. We show that in the global analysis the determination of the coefficients of all operators which do not enter the electroweak precision data are barely affected by the new $M_W$ determination.

研究动机与目标

• 评估新的CDF-II $M_W$测量结果对LHC Run II电弱遗产数据中电弱精确测量（EWPD）的影响。
• 评估更新后的$M_W$和顶夸克质量如何影响使用Hagiwara-Ishihara-Szalapski-Zeppenfeld（HISZ）基矢的全局SMEFT拟合，该基矢可直接约束八个威尔逊系数，而无需依赖希格斯或二玻色子数据。
• 确定在包含STXS希格斯和二玻色子数据的全局拟合中，$M_W$与标准模型之间的张力是否依然存在，并量化威尔逊系数约束的变化。
• 比较使用CDF-II测量值与标准平均值的结果，考虑新测量中潜在的系统性偏差。

提出的方法

• 分析采用Hagiwara-Ishihara-Szalapski-Zeppenfeld（HISZ）基矢，可对影响电弱精确测量的八个SMEFT算符在$\mathcal{O}(\Lambda^{-2})$阶实现直接、模型无关的约束。
• 作者执行了全局拟合，结合电弱精确测量数据（EWPD）、通过STXS测量的希格斯粒子产生以及二玻色子产生数据，理论预测在威尔逊系数的$\mathcal{O}(\Lambda^{-2})$阶进行评估。
• 将新的CDF-II $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV和更新后的顶夸克质量（$m_t = 171.79 \pm 0.38$ GeV，来自CMS）纳入分析，取代了先前的平均值。
• 采用基于$\chi^2$的边际化方法，推导出所有威尔逊系数的一维$\Delta\chi^2$分布和95%置信水平（CL）允许范围。
• 将使用新$M_W$和$m_t$值的结果与先前标准平均值进行比较，以隔离这两个输入的影响。
• 利用相关性矩阵和$\Delta\chi^2$扫描图可视化允许区域的变化，特别是在$S$-$T$平面和21维参数空间中的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 新的CDF-II测量结果$M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV如何影响HISZ基矢中SMEFT的全局拟合，特别是在$S$-$T$平面？
• RQ2 更新后的$M_W$和$m_t$值在多大程度上改变了单个SMEFT威尔逊系数的允许范围，特别是那些未被EWPD直接约束的系数？
• RQ3 在包含STXS希格斯和二玻色子数据的全局拟合中，$M_W$与标准模型之间的张力是否依然存在？$f_{BW}$、$f_{\Phi,1}$和$f^{(1)}_{\Phi,e}$的约束如何演变？
• RQ4 在引入新的$M_W$和$m_t$值后，威尔逊系数之间的相关性如何变化？这对潜在新物理的解释有何影响？
• RQ5 新的$M_W$对四轻费米子算符系数$f_{LLLL}$的定量影响是什么？为何其变化如此之小？

主要发现

• 新的CDF-II $M_W$测量结果使$S$-$T$平面的约束向正$T$方向移动，导致与标准模型预测存在$\sim 3\sigma$的偏离（$T = 0.197 \pm 0.065$）。
• 在仅针对EWPD的八参数SMEFT拟合中，威尔逊系数$f_{BW}/\Lambda^2 = 0.220 \pm 0.511$ TeV$^{-2}$和$f_{\Phi,1}/\Lambda^2 = -0.026 \pm 0.045$ TeV$^{-2}$在$1\sigma$范围内仍与零兼容，但因新的$M_W$和$m_t$值而出现显著变化。
• 唯一其他显著受影响的费米子算符是${\cal O}^{(1)}_{\Phi,e}$，其系数为$f^{(1)}_{\Phi,e}/\Lambda^2 = -0.002 \pm 0.021$ TeV$^{-2}$，主要由更新后的$m_t$驱动，而非$M_W$。
• 在包含STXS希格斯和二玻色子数据的全局拟合中，仅有$f_{BW}$、$f_{\Phi,1}$和$f^{(1)}_{\Phi,e}$显示出明显变化；其余所有系数受新$M_W$和$m_t$值的影响可忽略不计。
• 系数$f_{LLLL}/\Lambda^2 = 0.013 \pm 0.014$ TeV$^{-2}$的变化极小，因新$M_W$和$m_t$的影响相互抵消，结果仍与零一致。
• 在全局拟合中，所有威尔逊系数的95% CL允许范围仍与标准模型兼容，无任何系数在95% CL下被排除，表明目前精度下尚无强新物理证据。