[论文解读] Precise calculation of the W boson pole mass beyond the Standard Model with FlexibleSUSY

Peter Athron, Markus Bach+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 19

一句话总结

本文通过FlexibleSUSY软件，在超越标准模型（BSM）理论中采用改进的$\overline{\text{MS}}$/$\overline{\text{DR}}$重整化方案，实现了对W玻色子极点质量的精确、解耦计算，确保在高能尺度下与标准模型（SM）保持一致。结果表明，MRSSM可通过特定的Yukawa型参数容纳2022年CDF测量的$M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV，从而解决长期存在的$M_W$张力问题。

ABSTRACT

We present an updated calculation of the W boson pole mass in models beyond the Standard Model with FlexibleSUSY. The calculation has a decoupling behaviour and allows for a precise W pole mass prediction up to large new physics scales. We apply the calculation to several Standard Model extensions, including the MRSSM where we show that it can be compatible with large corrections to the W boson mass that would be needed to fit the recent 2022 CDF measurement.

研究动机与目标

• 开发一种在BSM理论中对W玻色子极点质量进行精确、解耦计算的方法，使其在新物理尺度较高时能恢复标准模型的预测。
• 实现对BSM模型的精确测试，以匹配2022年CDF提供的高精度$M_W$测量结果，该结果与标准模型预测存在7σ的偏差。
• 在FlexibleSUSY中实现该计算，严格保持一阶微扰精度，避免引入虚假的高阶效应。
• 通过参数扫描和基准点分析，证明MRSSM在解释MRSSM中$M_W$异常方面的可行性。

提出的方法

• 采用改进的$\overline{\text{MS}}$/$\overline{\text{DR}}$重整化方案，确保BSM模型中具有正确的解耦行为。
• 使用文献[2]中的最新标准模型$\overline{\text{MS}}$计算作为标准模型输入，确保与当前精确电弱拟合的一致性。
• 在严格的一阶微扰水平上计算BSM贡献，避免引入非物理的高阶效应。
• 将该框架应用于MSSM、标量单极模型和MRSSM，并对MRSSM参数空间进行详细扫描。
• 在$\lambda_u$–$\Lambda_u$和$M_{\text{SUSY}}$–$\Lambda_u$平面上执行二维参数扫描，以识别同时满足$M_W$和$M_h$测量结果的可行区域。
• 使用SLHA谱文件和FlexibleSUSY的自动化一阶微扰计算，以受控的不确定性计算$M_W$和$M_h$。

实验结果

研究问题

• RQ1 MRSSM能否通过新物理贡献解释2022年CDF测量的$M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV？
• RQ2 MRSSM中的哪些参数区域可使W玻色子极点质量与CDF结果一致，同时又能重现125.25 GeV的Higgs玻色子质量？
• RQ3 新的FlexibleSUSY实现如何确保解耦行为，并在高能极限下恢复标准模型的$M_W$预测？
• RQ4 在MRSSM中，$M_W$对top-Yukawa型参数$\lambda_u$、$\Lambda_u$、$\lambda_d$和$\Lambda_d$的敏感性如何？
• RQ5 该模型能否在不违反其他约束的前提下，同时容纳$M_W$异常和Higgs质量测量？

主要发现

• MRSSM能够以$80.4335$ GeV的中心值解释2022年CDF的$M_W$测量结果，且在不确定度范围内达成一致。
• 在$\tan\beta \approx 24.7$，$M_{\text{SUSY}} \approx 1763$ GeV，$\Lambda_u \approx -1.70$，$\lambda_u \approx -0.293$，$\Lambda_d \approx -1.59$，$\lambda_d \approx 2.18$处找到一个可行的基准点。
• $W$玻色子质量对$\lambda_u$和$\Lambda_u$表现出强烈的二次依赖关系，而对$\lambda_d$和$\Lambda_d$的依赖可忽略不计。
• 通过将$M_W$和$M_h$约束条件在$1\sigma$范围内结合，确定了$M_{\text{SUSY}}$的狭窄范围，约为1.7–1.8 TeV。
• FlexibleSUSY的实现确保了解耦行为，在BSM粒子质量极大时能恢复标准模型的$M_W$预测。
• 对于$M_{\text{SUSY}} \lesssim 1.8$ TeV，固定阶一阶微扰Higgs质量计算的不确定性估计为$\Delta M_h \leq 4$ GeV。