[论文解读] Right-handed neutrinos and the CDF II anomaly

Mattias Blennow, Pilar Coloma+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出，右手中微子可通过生成一个导致PMNS矩阵非幺正性的六维有效算符，来解决CDF II实验中W玻色子质量的异常。该效应使预测的$M_W$向上偏移，与CDF II的测量结果一致，同时保持与轻子普适性和$Z$玻色子隐形宽度的一致性；然而，除非算符系数不受约束，否则会加剧Cabibbo角异常问题。

ABSTRACT

We point out that right-handed neutrinos can resolve the tension between the latest CDF II measurement of the $W$-boson mass, $M_W$, and the standard model. Integrating out the new states yields a single $d=6$ operator, which induces a deviation from unitarity in the PMNS matrix. This alters the extraction of the Fermi constant from muon decay and increases the prediction for $M_W$, in line with the CDF II result. Non-unitarity of the PMNS matrix would also affect beta, meson, and tau decays. We find that the CDF II value for $M_W$ can be explained without conflicting with lepton flavour universality constraints or the invisible decay width of the $Z$. However, the so-called Cabibbo angle anomaly is worsened if right-handed neutrinos are the origin of the $d=6$ operator. The situation improves if the operator coefficient is left unconstrained, implying additional sources of new physics, but a common explanation of both anomalies is in tension with universality bounds.

研究动机与目标

• 探讨右手中微子是否能同时解释CDF II实验中W玻色子质量异常和Cabibbo角异常。
• 研究由重右手中微子诱导的六维有效算符所导致的PMNS矩阵非幺正性元素的影响。
• 评估该模型与轻子普适性、$Z$玻色子隐形宽度以及现有味物理约束的相容性。
• 在算符系数为半正定的假设下，判断对两个异常现象的统一解释是否可行。
• 评估该模型在TeV尺度新物理方面的含义，包括中微子混合和对撞机信号。

提出的方法

• 通过积分掉重右手中微子，推导出六维有效算符$\mathcal{O}_{d=6} = \bar{\ell}_L \tilde{H} c_{\mathcal{O}} i\not{\partial}(\tilde{H}^\dagger \ell_L)$。
• 将算符系数$c_{\mathcal{O}}$与矩阵$\eta = Y_\nu \Lambda^{-2} Y_\nu^\dagger v^2 / 4$关联，该矩阵导致PMNS矩阵非幺正性。
• 通过μ子衰变和$W$玻色子自能修正，计算费米常数$G_F$和$M_W$预测值的修正。
• 对$M_W$、$V_{ud}$、轻子普适性比值和$Z$玻色子隐形宽度进行全局拟合，变化$\eta_{ee}$和$\eta_{\mu\mu}$。
• 评估包含或不包含CDF II实验$M_W$测量值和Cabibbo异常的场景下的$\chi^2$拟合优度与$ p $-值。
• 探讨对两个异常现象的统一解释与$\eta$为半正定矩阵（在最小 seesaw 紫外完成下）之间的张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 右手中微子是否能通过非幺正PMNS矩阵效应解释CDF II实验测得的$M_W = 80.423 \pm 0.031$ GeV？
• RQ2 由右手中微子诱导的六维算符是否会导致预测$M_W$发生显著偏移，从而减小与CDF II实验结果的张力？
• RQ3 由此产生的非幺正性是否与来自$K$和$B$介子衰变的轻子普适性约束以及$Z$玻色子隐形宽度相容？
• RQ4 同一个六维算符能否同时解决Cabibbo角异常？若不能，原因是什么？
• RQ5 若允许算符系数为不定矩阵以同时解决两个异常，这对模型的紫外完成有何影响？

主要发现

• 引入右手中微子后，生成一个六维算符，导致PMNS矩阵非幺正，使预测的$M_W$上升，与CDF II实验测量结果一致。
• 仅解释CDF II实验$M_W$异常的最佳拟合场景的$\chi^2/n_{\rm dof} = 3.3/2$，相对于标准模型具有6.8$\sigma$的显著性。
• 该模型预测$\eta_{ee} \sim \eta_{\mu\mu} \sim 3 \times 10^{-3}$，对应于重中微子与$\nu_e$、$\nu_\mu$之间约0.07的混合。
• 当Yukawa耦合为$\mathcal{O}(1)$时，重中微子质量估计在TeV量级，处于未来对撞机探测的范围内。
• 若要求算符系数为不定矩阵，统一解释$M_W$和Cabibbo异常将与轻子普适性产生张力，这将需要更复杂的紫外完成机制。
• 包含所有数据的全局拟合得到$\chi^2/n_{\rm dof} = 40.1/7$，对应$ p $-值为$1.3 \times 10^{-6}$，表明异常与标准模型之间存在显著张力。