[论文解读] Type III seesaw with R-parity violation in light of $m_W$ (CDF)

Anish Ghoshal, Nobuchika Okada+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

本文提出了一种带有R-宇称破坏的MSSM型III型跷跷板扩展，以解释CDF对W玻色子质量（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）的测量结果，该结果与标准模型预测存在7σ的偏差。该模型通过R-宇称破坏项诱导的标量三重态的真空期望值，在树图层次生成对$m_W$的修正，实现了与CDF和LEP $\rho$-参数数据的$2\sigma$一致性，同时预测了质量在几GeV范围内的长寿命 gravitino 作为可行的暗物质候选者。

ABSTRACT

Motivated by the recently reported measurement of the $W$ boson mass $M_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV by the CDF collaboration, we propose a type III seesaw extension of the minimal supersymmetric standard model (MSSM) which also includes an R-parity violating term. Without taking potential SUSY radiative corrections into account, we show that the CDF measurement of $M_W$ and the LEP measurement of the $ρ$ parameter can be simultaneously accommodated at the $2 σ$ level. A long-lived gravitino in a few GeV mass range is a unique viable dark matter candidate in this framework.

研究动机与目标

• 解决CDF对$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV的测量结果与标准模型预测值$80.357 \pm 0.006$ GeV之间的张力。
• 调和大$m_W$偏差与LEP对$\rho$参数（$\rho = 1.0003 \pm 0.0005$）的测量结果之间的矛盾，后者对新物理施加了约束。
• 构建MSSM的最小扩展，同时通过型III跷跷板机制解释中微子质量，并提供一个可行的暗物质候选者。
• 确保与规范介导的SUSY破缺以及嵌入$SU(5)$等大统一理论的相容性。

提出的方法

• 引入两个$SU(2)_L$三重态自旋超多重态（$\Delta_i$）以实现型III跷跷板机制，通过$m_\nu \sim Y_D^T Y_D v^2 / (2m_\Delta)$生成轻的马约拉纳中微子质量。
• 添加一个R-宇称破坏项$W_{\not R} = \sqrt{2}\lambda H_u^T \varepsilon \Delta_1 H_d$，以诱导一个真空期望值$\langle \widetilde{\Delta}_1^0 \rangle = \frac{1}{2}\lambda A v_u v_d / m_\Delta^2$。
• 利用诱导的$v_\Delta \sim \mathcal{O}(1$ GeV)生成对$m_W^2$的树图修正，从而在不改变$m_Z^2$的情况下提高$m_W^2$，从而保持$\rho$-参数约束。
• 确保R-宇称破坏耦合$\varepsilon_k \sim (Y_D)^{1k} v_\Delta / \mu_H \lesssim 10^{-7}$足够小，以避免与中微子质量生成产生冲突。
• 将质量约为几GeV的长寿命gravitino识别为可行的暗物质候选者，其衰变过程为$\psi_{3/2} \to \gamma + \nu$，寿命为$\tau_{3/2} \sim 10^{30}$秒。
• 将该模型嵌入$SU(5)$ GUT，并通过将三重态中介场识别为规范介导场，实现与规范介导SUSY破缺的统一。

实验结果

研究问题

• RQ1 带有R-宇称破坏的MSSM型III型跷跷板扩展能否同时容纳CDF的$m_W$测量结果与LEP的$\rho$-参数约束？
• RQ2 为解释观测到的$m_W$偏差，所需的诱导真空期望值$v_\Delta$的大小是多少？
• RQ3 R-宇称破坏耦合如何影响通过型III跷跷板机制生成的中微子质量？
• RQ4 质量在几GeV范围内的长寿命gravitino能否在此模型中作为可行的非热冷暗物质候选者？
• RQ5 该模型是否与规范介导SUSY破缺及$SU(5)$中的大统一相容？

主要发现

• 该模型与CDF的$m_W$测量结果和LEP的$\rho$-参数测量结果均实现了$2\sigma$一致性，解决了两者之间的表观张力。
• 为解释CDF的$m_W$偏差，需要$v_\Delta \sim \mathcal{O}(1$ GeV)，当$m_\Delta \sim \mathcal{O}(10^6$ GeV)时，对应$\lambda A \sim \mathcal{O}(10^{-3})$ GeV。
• R-宇称破坏耦合被限制在$\varepsilon_k \lesssim 10^{-7}$，确保诱导的中微子质量与振荡数据一致。
• 当$m_\Delta \lesssim 6 \times 10^6$ GeV时，Yukawa耦合$Y_D$的估计值为$\lesssim 10^{-4}$，满足现象学约束。
• 质量约为几GeV的长寿命gravitino具有$\tau_{3/2} \sim 10^{30}$秒的寿命，使其成为可行的非热冷暗物质候选者。
• 该模型与规范介导SUSY破缺及嵌入$SU(5)$ GUT相容，同时保持了暴胀与统一的可行性。