[论文解读] The $W\ellν$-vertex corrections to W-boson mass in the R-parity violating MSSM

Min-Di Zheng, Feng-Zhi Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文研究了在R-宇称破坏最小超对称标准模型（RPV-MSSM）中，$W$-玻色子质量的修正，重点分析了由$\lambda^\prime$引起的$W\ell\nu$顶点修正。研究发现，尽管仅靠这些顶点修正无法完全解释CDF-II实验观测到的$7\sigma$偏差，但当与斜交修正（oblique corrections）结合时，可在当前实验约束下实现与$3\sigma$水平一致的$m_W$测量结果，从而为新物理提供一个可行的解释。

ABSTRACT

Inspired by the astonishing $7σ$ discrepancy between the recent CDF-II measurement and the standard model prediction on the mass of $W$-boson, we investigate the $λ'$-corrections to the vertex of $μ oν_μe\bar{ν_e}$ decay in the context of the $R$-parity violating minimal supersymmetric standard model. These corrections can raise the $W$-boson mass independently. Combined with recent $Z$-pole and kaon decay measurements, $m_W \lesssim 80.37$ GeV can be reached. We find that these vertex corrections cannot explain the CDF result entirely at the $2σ$ and even $3σ$ levels. However, these corrections together with the oblique contributions can be accordant with the CDF-II result and relevant bounds at the $3σ$ level.

研究动机与目标

• 研究RPV-MSSM中由$\lambda^\prime$诱导的$W\ell\nu$顶点修正是否能解释CDF-II实验测得的$W$-玻色子质量与标准模型预测之间的$7\sigma$偏差。
• 评估这些顶点修正作为独立于斜交修正的$W$-玻色子质量增强机制的可行性。
• 确定RPV-MSSM中$\lambda^\prime$顶点修正与斜交修正的联合效应是否能在实验约束范围内容纳CDF-II实验结果。
• 利用$Z$-极点和K介子衰变测量结果，对$\lambda^\prime$耦合参数空间进行约束。

提出的方法

• 本研究计算了在RPV-MSSM中，由超势项$\lambda^\prime\hat{L}\hat{Q}\hat{D}$诱导的一阶量子修正对$W\ell\nu$顶点的影响。
• 利用关系式$m_W^2/m_Z^2 = \frac{1}{2} + \sqrt{\frac{1}{4} - \frac{\pi\alpha}{\sqrt{2}G_\mu m_Z^2}(1 + \Delta r)}$将$m_W$与$\Delta r$修正关联起来，其中$\Delta r$被分解为标准模型（SM）和新物理（NP）贡献。
• 新物理贡献$\Delta r$被进一步划分为自能（$h^s$）、顶点（$h^v$）和圈图（$h^b$）修正，其中$h^v$主要由$\lambda^\prime$介导的费曼图主导。
• 通过FeynHiggs-2.18.1程序数值计算了基准MSSM参数下的$h^s$，而$h^v$则通过解析方法推导为$h^\prime_{aa} \propto x_t f_W(x_t) |\tilde{\lambda}^\prime_{a33}|^2$。
• 在$Z$-极点和K介子衰变约束下，评估$h^s$与$h^v$的联合效应，并对$M_{\tilde{Q}_3}, M_{\tilde{U}_3}, M_{\tilde{D}_3}, A_t, A_b$等参数进行扫描。
• 将模型预测与CDF-II实验测得的$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV及标准模型预测值$m_W^{\rm SM} = 80.357 \pm 0.006$ GeV在$2\sigma$和$3\sigma$水平下进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RPV-MSSM中，由$\lambda^\prime$诱导的$W\ell\nu$顶点修正是否足以提升$W$-玻色子质量，从而解释CDF-II实验的异常？
• RQ2 仅靠这些顶点修正，在$2\sigma$和$3\sigma$水平下与$m_W$偏差的符合程度如何？
• RQ3 在RPV-MSSM中，$\lambda^\prime$顶点修正与斜交修正的联合效应是否能解释CDF-II实验测得的$m_W$，同时满足$Z$-极点和K介子衰变的约束？
• RQ4 为实现$m_W$增强且在实验允许范围内的$\tilde{\lambda}^\prime_{a33}$耦合参数空间允许的范围是什么？

主要发现

• 仅靠$\lambda^\prime$诱导的$W\ell\nu$顶点修正，无法在$2\sigma$水平上解释CDF-II实验测得的$W$-玻色子质量，甚至在$3\sigma$水平上也难以实现。
• 这些顶点修正对$m_W$的增强量约为$0.0742 \times x_t f_W(x_t) |\tilde{\lambda}^\prime_{a33}|^2$ GeV，其中$x_t = m_t^2 / m_{\tilde{t}}^2$。
• 当与斜交修正（$h^s \approx -8 \times 10^{-4}$）结合时，模型可将$m_W$提升至约80.38 GeV，处于$Z$-极点和K介子衰变约束的$3\sigma$允许区域内。
• 仅在$m_W^{\rm CDF}$测量范围的上沿附近存在一个狭窄的重叠区域，使得该结果在$3\sigma$水平上兼容。
• 在基准点$M_{\tilde{Q}_3} = 2.1$ TeV，$M_{\tilde{U}_3} = 10$ TeV，且$A_t = A_b = 1.5$ TeV时，得到$m_W^{\rm NP} \approx 80.370 + 0.0742 x_t f_W(x_t) |\tilde{\lambda}^\prime_{a33}|^2$ GeV，当与斜交效应结合时，可在$3\sigma$水平上与$m_W^{\rm CDF}$保持一致。
• 本研究确认，$\lambda^\prime$顶点修正本身不足以解释异常，但在与RPV-MSSM框架中其他新物理贡献结合时，可作为解释$m_W$异常的补充机制。