[论文解读] Speculations on the W-Mass Measurement at CDF

Jiayin Gu, Zhen Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文利用有效场论框架下的电弱全局拟合，研究了CDF II实验中W玻色子质量测量结果与标准模型预测之间的7σ偏差，评估了理论张力并约束了新物理模型。研究发现，非简并的顶夸克超伴子软质量以及费米子禁戒的Z′玻色子可作为与LHC约束相容的可行解释，凸显了未来对撞机在理论与实验方面进一步探索的必要性。

ABSTRACT

The W Mass determination at the Tevatron CDF experiment reported a deviation from the SM expectation at 7$σ$ level. We discuss a few possible interpretations and their collider implications. We perform electroweak global fits under various frameworks and assumptions. We consider three types of electroweak global fits in the effective-field-theory framework: the $S$-$T$, the $S$-$T$-$δG_F$, and the eight-parameter flavor-universal one. We discuss the amounts of tensions between different $m_W$ measurements reflected in these fits and the corresponding shifts in central values of these parameters. With these electroweak fit pictures in hand, we present a few different classes of models and discuss their compatibility with these results. We find that while explaining the $m_W$ discrepancy, the single gauge boson extensions face strong LHC direct search constraints unless the $Z'$ is fermiophobic (leptophobic) which can be realized if extra vector fermions (leptons) mix with the SM fermions (leptons). Vector-like top partners can partially generate the needed shift to the electroweak observables. The compatibility with top squark is also studied in detail. We find non-degenerate top squark soft masses enhance the needed operator coefficients, enabling an allowed explanation compatible with current LHC measurements. Overall, more theory and experimental developments are highly in demand to reveal the physics behind this discrepancy.

研究动机与目标

• 评估CDF II实验精确测量的W玻色子质量结果对标准模型预测造成的7σ偏差的含义。
• 利用电弱全局拟合，评估CDF结果与其他实验对$ m_W $的测定之间的张力。
• 识别能够解释$ m_W $差异但与现有LHC约束一致的新物理模型。
• 探讨非简并的顶夸克超伴子软质量以及费米子禁戒的Z′玻色子在产生电弱可观测量观测偏差中的作用。
• 通过未来对撞机的精密测量，指导未来实验与理论研究，以解决$ m_W $之谜。

提出的方法

• 在三种有效场论框架下执行电弱全局拟合：$ S $-$ T $、$ S $-$ T $-$ \delta G_F $，以及一个八参数的味无关统一模型。
• 通过计算各种模型的$ \chi^2 $值并与标准模型拟合结果比较，量化$ m_W $测量结果之间的张力。
• 分析$ W' $与$ Z' $模型，利用阻滞参数，重点关注费米子禁戒（轻子禁戒）耦合以减轻LHC约束。
• 研究矢量型顶夸克伙伴与顶夸克超伴子模型，特别关注非简并软质量对算符系数生成的影响。
• 应用来自顶夸克超伴子 sector 的理论约束，包括$ A_t^2 $-bound 关系，以限制可行参数空间。
• 评估模型与希格斯粒子质量及精密希格斯物理计划的兼容性，指出大混合可稳定希格斯质量。

Figure 1: Results from a 2-parameter fit of $S$ and $T$ (solid contours) and a 3-parameter fit of $S$ , $T$ and $\delta G_{F}$ (dashed contours) to the current EW precision measurements. The “old” scenario (cyan) uses the current PDG world-average $m_{W}$ measurement, while the “new CDF” scenario (m

实验结果

研究问题

• RQ1 CDF II实验中$ m_W $测量结果与标准模型预测之间的张力程度如何？与其他实验测定结果相比有何差异？
• RQ2 哪些新物理模型（如$ Z' $、$ W' $、顶夸克伙伴或顶夸克超伴子）能够解释$ m_W $差异，同时满足LHC直接搜寻约束？
• RQ3 非简并的顶夸克超伴子软质量如何影响超对称模型生成电弱可观测量所需偏差的能力？
• RQ4 费米子禁戒或轻子禁戒的$ Z' $玻色子能否规避LHC约束，同时仍可解释$ m_W $异常？
• RQ5 该$ m_W $差异对未来的对撞机计划有何影响，特别是在新物理尺度与测量精度方面？

主要发现

• CDF II测量报告$ m_W = 80433.5 \pm 9.4 $ MeV，与标准模型预测的$ 80357 \pm 6 $ MeV相比，偏差达7σ显著性。
• 电弱全局拟合显示，$ S $-$ T $-$ \delta G_F $与统一八参数拟合对CDF数据的$ \chi^2 \approx 17 $，表明其与标准模型相比兼容性更好。
• 单个规范玻色子扩展（$ Z' $、$ W' $）除非$ Z' $为费米子禁戒或轻子禁戒，否则面临强烈的LHC约束，而这种特性可通过与矢量型轻子或费米子的混合实现。
• 矢量型顶夸克伙伴可部分生成电弱可观测量所需的偏差，但完整解释仍需额外动力学机制。
• 非简并的顶夸克超伴子软质量增强了所需算符系数，使模型能与LHC数据保持兼容，而简并情形则无法实现。
• 顶夸克超伴子模型中优选的参数区域产生大混合，可能稳定希格斯质量，尽管本研究未显式拟合该效应。

Figure 2: One-sigma bounds from the 8-parameter SMEFT fit with the operator coefficients listed in Equation 6 and Table 3 . The “old” scenario (cyan) uses the current PDG world-average $m_{W}$ measurement, while the “new CDF” scenario (magenta) uses the new CDF measurement alone for $m_{W}$ . Note t