[论文解读] New $W$-Boson mass in the light of doubly warped braneworld model

Basabendu Barman, Ashmita Das+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出，CDF合作组最近测量的W玻色子质量超出标准模型预测值76 MeV，可在六维双重翘曲膜世界模型中得到解释。通过将所有标准模型场置于体中并利用两个翘曲尺度，体中W玻色子的最低激发Kaluza-Klein模态在可见膜上自然地获得观测到的80,433.5 ± 9.4 MeV质量，同时在不引入普朗克尺度与TeV尺度之间的中间能量标度的前提下，保持规范层次问题的解决方案。

ABSTRACT

The recent observation by CDF collaboration has disclosed a modification in the mass of the $W$ boson. In this regard we show that this modification in the mass of the $W$ boson can be well explained in the background of a 6-dimensional warped geometry model, where the double warping is associated with the two extra spatial dimensions. We consider that all the Standard Model fields are residing in the bulk, where the bulk Higgs field gives rise to the spontaneous symmetry breaking in the 6-dimensional spacetime. Allowing a little hierarchy between the two moduli we exactly obtain the observed mass for the $W$ boson, which is identified as the lowest lying Kaluza-Klein mass mode of the bulk $W$ boson on the $(3+1)$ dimensional visible brane. The essential feature of the 5-dimensional Randall-Sundrum scenario such as the resolution of the gauge hierarchy problem without introducing any intermediate scale between the Planck and the TeV scale, remains intact.

研究动机与目标

• 解释CDF合作组测量的W玻色子质量超出标准模型预测值76 MeV的现象，该偏差达7σ。
• 探讨六维翘曲几何模型（含两个额外空间维度）是否能自然生成观测到的W玻色子质量，而无需引入普朗克尺度与TeV尺度之间的中间能标。
• 通过可见膜上的翘曲因子维持层次问题的解决，同时确保与精密电弱约束及Tevatron对KK态的限制相容。
• 证明该模型的参数空间，特别是模量之比，可通过微调重现精确的CDF测量结果，且无需精细调参。

提出的方法

• 采用具有平坦(3+1)维膜的六维双重翘曲几何模型，将Randall-Sundrum模型推广至两个额外维度。
• 将所有标准模型场（包括希格斯场）置于体中，以在六维时空中实现自发对称性自发破缺。
• 利用Kaluza-Klein约化方法计算W玻色子的质量谱，将最低激发KK模态识别为可见膜上的物理W玻色子。
• 调节两个模量参数——k ~ 0.25，以及模量比R_y / r_z ~ O(10)——以重现观测到的W玻色子质量。
• 在六维中应用Goldberger-Wise稳定机制，以无非自然精细调参的方式稳定两个模量，遵循Bhaumik与SenGupta（2022）的工作。
• 验证在相同参数集合下，所得规范耦合、KK质量及精密电弱约束均得以满足。

实验结果

研究问题

• RQ1 六维双重翘曲膜世界模型（含体中标准模型场）能否重现CDF II实验对W玻色子质量的测量值80,433.5 ± 9.4 MeV？
• RQ2 该模型是否通过可见膜上约10^{-16}的翘曲因子实现层次问题的解决，而无需引入中间能标？
• RQ3 该模型能否在生成比标准模型预测值重约76 MeV的W玻色子质量的同时，满足精密电弱约束及Tevatron对KK态的限制？
• RQ4 通过六维几何中两个模量之间的受控层次关系，能否在无需精细调参的情况下实现观测到的W玻色子质量？

主要发现

• 在六维双重翘曲模型中，体中W玻色子的最低激发Kaluza-Klein模态精确重现了CDF II测量的W玻色子质量80,433.5 ± 9.4 MeV，处于实验不确定度范围内。
• 该模型通过可见膜上约10^{-16}的翘曲因子实现层次问题的解决，且未引入任何中间能量标度。
• 两个模量之间R_y / r_z ~ O(10)的层次关系，配合k ~ 0.25，足以生成观测到的W玻色子质量。
• 在相同参数集合下，该模型满足精密电弱约束及Tevatron对KK态的限制，如Das等（2011）先前所展示。
• 六维中的Goldberger-Wise稳定机制确保了模量的稳定性且无需精细调参，支持所选参数值的物理可行性。
• 该框架可推广至更高维度，表明多翘曲额外维可能为解释W玻色子质量异常提供自然机制。