[论文解读] New physics interpretation of $W$-boson mass anomaly

Motoi Endo, Satoshi Mishima|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 15

一句话总结

本文提出，观测到的 $W$-boson 质量异常——偏离标准模型超过 7σ——可能源于影响费米耦合常数 $G_F$ 的新物理。通过引入单场扩展的 SM（具有轻子耦合的标量、费米子或矢量），作者表明，新物理对四费米子算符 $\mathcal{O}_{\ell\ell}$ 或 $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 的贡献可改变 $G_F$，从而影响 $M_W$。关键结果是，$\mathcal{O}_{\ell\ell}$ 的 Wilson 系数约为 $0.02{-}0.03\,\mathrm{TeV}^{-2}$，或 $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 的系数为 $-(0.01{-}0.03)\,\mathrm{TeV}^{-2}$，可缓解 $W$-boson 质量差异，尤其在新粒子质量为多 TeV 且耦合常数为 1 阶时。

ABSTRACT

The CDF collaboration has recently reported an updated result on the $W$-boson mass measurement, showing a $7σ$ deviation from the standard model prediction. The discrepancy may indicate new contributions to the Fermi coupling constant. We study simple extensions of the standard model by introducing an extra scalar, fermion or vector field. It is found that the tension implies the new physics existing in multi-TeV scales if the new coupling to the electron and/or muon is of order unity.

研究动机与目标

• 通过影响费米耦合常数 $G_F$ 来解释 $W$-boson 质量异常——即与 SM 预测值相差 $\sim$7σ。
• 研究 SM 的单场扩展（标量、费米子、矢量）如何通过高维 SMEFT 算符修改 $G_F$。
• 评估味不变与味非不变耦合对 $W$-boson 质量及电弱精确测量可观测量的影响。
• 评估此类新物理在 LHC 和未来 FCC-ee 等对撞机上的可探测性，重点关注多轻子和共振信号。
• 通过共同的新物理领域，将 $W$-boson 异常与其他异常（如 muon $g-2$ 偏差）联系起来。

提出的方法

• 基于标准模型有效场论（SMEFT）的形式体系，通过六维算符描述电弱尺度以上的新物理。
• 识别关键 SMEFT 算符：$\mathcal{O}_{\ell\ell} = (\bar{\ell}_i\gamma_\mu\ell_j)(\bar{\ell}_k\gamma^\mu\ell_l)$ 和 $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)} = (\phi^\dagger i\overset{\leftrightarrow}{D_\mu^a}\phi)(\bar{\ell}_i\gamma^\mu\sigma^a\ell_j)$，它们可修改 $G_F$，从而影响 $M_W$。
• 定义无量纲的 Wilson 系数 $\widehat{C}_i = v^2 C_i$，其中 $v$ 为 Higgs 期望值，以将新物理效应与 $G_F$ 的可观测变化联系起来。
• 计算 $\delta_{G_F} = (\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)})_{11} + (\{\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)}\})_{22} - (\widehat{C}_{\ell\ell})_{1221}$ 以量化 $G_F$ 的变化。
• 对电弱精确测量可观测量（EWPO）进行拟合，包括 $M_W$，以约束新物理模型的允许参数空间。
• 评估对撞机探测能力：通过 $pp \to S,V \to \ell\ell$ 的共振搜索，以及在 LHC 和未来对撞机上对 $pp \to E \to \ell\ell$ 的多轻子信号进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 新物理对费米耦合常数 $G_F$ 的贡献是否可解释 $W$-boson 质量异常？
• RQ2 哪些 SM 的单场扩展（标量、费米子、矢量）能产生足够的 $G_F$ 变化以解决 $M_W$ 差异？
• RQ3 与味不变情形相比，味非不变耦合如何影响 $W$-boson 质量和电弱精确测量可观测量？
• RQ4 在满足现有实验约束的前提下，哪些新粒子的质量与耦合尺度可缓解 $M_W$ 紧张？
• RQ5 能否通过同一新物理领域同时解释 $W$-boson 质量异常与 muon $g-2$ 异常？

主要发现

• 通过四费米子算符 $\mathcal{O}_{\ell\ell}$ 的新物理贡献，可缓解 $W$-boson 质量异常，所需 Wilson 系数约为 $\sim 0.02{-}0.03\,\mathrm{TeV}^{-2}$。
• $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 算符（由额外轻子或矢量玻色子诱导）也可解释该异常，其 $(11)$ 与 $(22)$ 分量所需 $\widehat{C}_{\phi\ell}^{(3)} \sim -(0.01{-}0.03)\,\mathrm{TeV}^{-2}$。
• 对于质量为 $M_E = 1\,\mathrm{TeV}$ 的新轻子 $E$，其所需耦合 $\lambda_E$ 约为 $\sim 0.1{-}0.3$ 才能缓解异常。
• $\mathcal{O}_{\phi\ell}^{(3)}$ 的味不变贡献在所研究情形中对 $M_W$ 差异的拟合效果最佳。
• 质量为多 TeV 量级、耦合常数为 1 阶的新标量与矢量玻色子，若与 SM 夸克耦合，可通过 $pp \to S,V \to \ell\ell$ 的共振搜索被发现。
• 质量 $M_E \gtrsim 1\,\mathrm{TeV}$ 的额外轻子已受 LHC Run 2 约束，但未来 HL-LHC 与更高能对撞机可探测多 TeV 能量尺度。