[论文解读] Interpreting the $W$-mass anomaly in the vectorlike quark models

Junjie Cao, Lei Meng+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了七种规范矢量型夸克（VLQ）对标准模型的扩展，以解释CDF合作组测量的W玻色子质量中7σ的偏差。研究发现，其中三个VLQ模型在满足对角参数、大型强子对撞机（LHC）搜索、顶夸克和希格斯玻色子测量以及微扰性约束的前提下，能够一致地解释该异常现象，其汤川耦合常数接近1——与顶夸克的汤川耦合常数相当。

ABSTRACT

The new measurement of $W$-boson mass by the CDF collaboration revealed a remarkable $7σ$ disagreement with the Standard Model (SM) prediction. If confirmed by other experiments, then the disagreement strongly indicates the existence of new physics beyond the SM. In this work, seven vectorlike quark (VLQ) extensions of the SM are investigated to interpret the anomaly, and it is found that three can explain the anomaly in broad parameter space. The explanations are consistent with the constraints from oblique parameters, the LHC search for VLQs, the measurements of the properties for the top quark, bottom quark, and Higgs boson, and the perturbativity criterion. The typical size of the involved Yukawa coupling is around 1, which is comparable to the top quark Yukawa coupling in the SM. The other extensions, however, either predict a negative correction to the mass in reasonable parameter space or explain the anomaly by unnatural theoretical input parameters.

研究动机与目标

• 通过CDF合作组测量的W玻色子质量与标准模型预测之间的7σ偏差，解释该偏差。
• 评估规范矢量型夸克（VLQ）对标准模型的扩展是否能在不违反现有实验约束的前提下解释该异常。
• 识别出在对角参数、LHC对VLQ的搜索、顶夸克和希格斯玻色子测量以及微扰性方面保持一致的可行VLQ模型。
• 评估所提出模型中所需汤川耦合常数的自然性。

提出的方法

• 系统分析标准模型的七种不同规范矢量型夸克（VLQ）扩展。
• 利用一阶量子修正计算VLQ对W玻色子质量的修正。
• 应用对角参数（S, T）的约束，以排除具有非物理电弱精度修正的模型。
• 通过LHC对VLQ、顶夸克、底夸克和希格斯玻色子性质的搜索结果交叉检验模型的可行性。
• 强制实施微扰性准则，以确保汤川耦合常数保持在微扰极限内。
• 评估所需汤川耦合常数值的自然性，特别关注接近1的值。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些规范矢量型夸克模型能够在与当前实验约束一致的前提下解释7σ的W玻色子质量异常？
• RQ2 可行模型是否需要非自然或微调的参数值才能产生观测到的W玻色子质量修正？
• RQ3 可行模型中所需的汤川耦合常数的典型大小是多少？与标准模型中顶夸克的汤川耦合常数相比如何？
• RQ4 在合理的参数空间内，这些模型是否能避免对W玻色子质量产生负向修正？
• RQ5 是否存在任何VLQ模型预测的W玻色子质量修正过大或与对角参数约束不一致？

主要发现

• 三个规范矢量型夸克模型在与对角参数约束一致的前提下，成功解释了W玻色子质量异常。
• 可行模型预测的汤川耦合常数约为1，与标准模型中顶夸克的汤川耦合常数相当。
• 这些模型在生成观测到的W玻色子质量修正时，并不需要非自然或微调的输入参数。
• 其余四个VLQ模型在物理允许的参数空间内要么预测对W玻色子质量产生负向修正，要么需要非自然的参数值才能解释该异常。
• 所有可行模型均满足微扰性准则，确保理论保持在微扰区域内。
• 这些模型与当前LHC对矢量型夸克的搜索结果一致，也与顶夸克、底夸克和希格斯玻色子性质的测量结果一致。