[论文解读] Oblique Lessons from the $W$ Mass Measurement at CDF II

Pouya Asadi, Cari Cesarotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 21

一句话总结

该论文在电弱拟合中结合最新的 CDF II $W$-mass 测量，使用椭圆参数 $S$、$T$、$U$，发现数据偏好非零的椭圆修正—尤其是正的 $T$（以及可能较大的 $U$）—并探讨可实现这些移位的简单 BSM 模型。

ABSTRACT

The CDF collaboration recently reported a new precise measurement of the $W$ boson mass $M_W$ with a central value significantly larger than the SM prediction. We explore the effects of including this new measurement on a fit of the Standard Model (SM) to electroweak precision data. We characterize the tension of this new measurement with the SM and explore potential beyond the SM phenomena within the electroweak sector in terms of the oblique parameters $S$, $T$ and $U$. We show that the large $M_W$ value can be accommodated in the fit by a large, nonzero value of $U$, which is difficult to construct in explicit models. Assuming $U = 0$, the electroweak fit strongly prefers large, positive values of $T$. Finally, we study how the preferred values of the oblique parameters may be generated in the context of models affecting the electroweak sector at tree- and loop-level. In particular, we demonstrate that the preferred values of $T$ and $S$ can be generated with a real SU(2)$_L$ triplet scalar, the humble "swino," which can be heavy enough to evade current collider constraints, or by (multiple) species of a singlet-doublet fermion pair. We highlight challenges in constructing other simple models, such as a dark photon, for explaining a large $M_W$ value, and several directions for further study.

研究动机与目标

• 评估新的 CDF II $W$-mass 测量对 SM 电弱拟合的影响。
• 表征 CDF II 值与 SM 在椭圆参数空间 $(S,T,U)$ 中的张力。
• 将偏好椭圆参数空间映射到简单的超对称-标准模型之外（BSM）情景。
• 研究树级或环路级的新物理是否能产生所需的 $S$ 与 $T$ 值，同时回避约束。

提出的方法

• 通过椭圆修正 $S$、$T$、$U$ 及其对电 Weak 可观测量的线性影响来参数化 BSM 效应。
• 通过最小化在五个核心观测量再加上 $S$、$T$、$U$ 的 $ Chi^2$（其中 $U$ 常固定为零）来进行全局电弱拟合。
• 评估若干 W 质量输入情景：CDF II 值、一个世界平均值组合，以及 PDG 2020 值。
• 使用两环 EW 结果和对 $M_W$、$ar{ au}$ 及相关量的梯度 $nabla r$ 参数化，计算 $ ho$-样关系和推导的观测量。
• 在不同 $M_W$ 输入下，对边际化关于干扰观测量，获得 $(S,T)$ 平面（及相关平面）上的 2-sigma 区域。
• 探索简单的 BSM 实现（实数 SU(2)$_L$ 三重态 swino、暗光子、单态-双重态费米子）以评估与拟合的 $(S,T,U)$ 值的一致性。
• 考察允许 $U$ 自由浮动及其对模型构建的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDF II $W$-mass 测量如何改变全局电弱拟合中偏好椭圆参数 $S$、$T$、$U$ 的取值？
• RQ2 观察到的 $M_W$ 移位是否可以仅靠非零的 $S$ 和 $T$（$U=0$）来解释，还是需要相当大的 $U$？
• RQ3 哪些简单的超标准模型情景能够在不与其他精密观测与对撞机界限冲突的情况下产生所需的 $S$ 和 $T$（以及可能的 $U$）？
• RQ4 在这些模型中（如 swino 三重态、单态-双重态费米子）可行的参数空间是什么，能够再现 EW 拟合偏好？
• RQ5 在当前或未来对撞机上测试这些解释的前景如何？

主要发现

• CDF II $W$-mass 测量显著恶化了对数据的 SM 拟合，在包含时的 p 值很低。
• 允许 $S$ 和 $T$ 自由浮动时，对于 CDF II 输入，拟合表现良好，且 $S$、$T$ 值为大且为正，而 PDG 世界平均值仍接近 $(S,T)\u2250(0,0)$。
• 如果 $U$ 固定为零，拟合偏向 $(S,T)$ 接近 $(0.15,0.24)$（CDF-II 世界平均）或 $(0.17,0.27)$（CDF-II 含全部系统误差），使之远离 SM 点。
• 当 $U$ 允许浮动时，最优点移至 $(S,T,U)\u0013(0.03,0.05,0.19)$ 对于 CDF-II 情况，所有拟合的 $Cchi^2/Cd.o.f.E  0.99$。
• 一个较大的正的 $U$ 可以容纳 W-质量移位，但在微扰模型中产生如此大的 $U$ 很具挑战性且违反保守对称。
• 具体的 BSM 实现显示： (i) 一个实数 SU(2)$_L$ 三重态标量（swino）Y=0 可以产生正的 $T$ 且与 $S$ 兼容，理论上在 TeV 标量可能；(ii) 单态-双重态费米子模型在环路层有贡献但受其他界限严格约束；(iii) 暗光子或简单的标量单态/双重态扩展在解释该异常方面困难。