[论文解读] $W$-Boson Mass, Electroweak Precision Tests and SMEFT

JiJi Fan, Lingfeng Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

本文研究了CDF对W玻色子质量的测量结果，该结果与电弱精确测试（EWPTs）预测的规范模型（SM）结果存在7σ的偏离。通过SMEFT框架，本文识别出维度六算符 $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 是导致 $m_W$ 偏移的主要来源，其系数需满足 $c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01$，表明新物理可能在树图层次贡献下处于多TeV尺度，或在圈图层次贡献下处于亚TeV尺度。

ABSTRACT

Recently the CDF collaboration at the Tevatron reported a significant discrepancy between the direct measurement of the $W$-boson mass and its Standard Model (SM) prediction based on electroweak precision tests (EWPTs). In this paper we explore the potential origin of this discrepancy from physics beyond the SM. Explicitly, we work on a set of six-dimensional operators in the SM effective field theory (SMEFT) which are relevant to the EWPTs. By fitting to the data, we demonstrate that an upward shift in $m_W$ is driven by the operator $\mathcal{O}_{T}=\frac{1}{2}(H^{\dagger}\overset{ ext{$\leftrightarrow$}}{D}_μH)^2$ with a coefficient $c_T ({ m TeV}/Λ)^2 \gtrsim 0.01$. This suggests that the new physics scale favored by the CDF data should be multiple TeV for tree-level effects and sub TeV for loop-level effects. One simple example is to introduce a hypercharge-free electroweak triplet scalar which can raise the $c_T$ value at tree level. We also study the potential to further test the relevant SMEFT by measuring Higgs-coupling, $m_W$ and other EWPTs at future circular $e^-e^+$ colliders.

研究动机与目标

• 研究CDF对 $m_W$ 的直接测量与电弱精确测试（EWPTs）预测的SM结果之间7σ张力的起源。
• 探讨该差异是否可通过SMEFT框架下的标准模型之外（BSM）物理来解释。
• 识别SMEFT中可产生显著向上 $m_W$ 偏移但不破坏其他电弱精确观测量（EWPOs）的特定维度六算符。
• 评估未来 $e^{-}e^{+}$ 对撞机（如FCC-ee和CEPC）在检验所提出的SMEFT算符并约束新物理尺度方面的潜力。

提出的方法

• 本研究采用模型无关的SMEFT方法，聚焦于与电弱精确可观测量相关的部分六维算符。
• 通过对包括 $m_W$、$R_b$、$R_\ell$、$A_f$、$\Gamma_{\text{had}}$ 和 $\Gamma_{h\to\gamma\gamma}$ 在内的EWPT数据进行全局拟合，以约束威尔逊系数。
• 分析采用贝叶斯框架，计算威尔逊系数的边缘后验分布，整合当前和未来的实验不确定性。
• 通过假设未来中心值与当前测量一致，评估未来 $e^{-}e^{+}$ 对撞机（FCC-ee、CEPC）的灵敏度。
• 识别出 $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 为导致 $m_W$ 偏移的主要算符，其系数 $c_T$ 被约束为 $c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01$。
• 该算符的一个简单实现是电弱三重态标量（超荷为零），其可在树图层次诱导 $m_W$ 的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些SMEFT维度六算符可在不与其它电弱精确可观测量冲突的前提下，解释CDF测量中观测到的 $m_W$ 过剩？
• RQ2 算符 $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 的威尔逊系数 $c_T$ 需达到多大，才能解释 $m_W$ 的差异？
• RQ3 对于树图层次与圈图层次贡献的 $m_W$ 偏移，所隐含的新物理尺度 $\Lambda$ 是多少？
• RQ4 未来 $e^{-}e^{+}$ 对撞机（如FCC-ee）对相关SMEFT算符（特别是 $c_T$ 和 $c_{WB}$）的敏感度如何？
• RQ5 希格斯玻色子衰变 $h \to \gamma\gamma$ 是否能为所提出的SMEFT解释 $m_W$ 异常提供决定性检验？

主要发现

• 算符 $\mathcal{O}_T = \frac{1}{2}(H^\dagger \overset{\leftrightarrow}{D}_\mu H)^2$ 被确定为 $m_W$ 偏移的主要来源，其系数需满足 $c_T(\text{TeV}/\Lambda)^2 \gtrsim 0.01$ 才能解释CDF结果。
• 该系数暗示，若为树图层次贡献，则新物理尺度为多TeV；若为圈图层次贡献，则新物理尺度为亚TeV，具体取决于紫外完成方式。
• 一个超荷为零的电弱三重态标量为该算符提供了明确实现，可在树图层次产生 $m_W$ 偏移，同时抑制对 $c_{WB}$ 的修正。
• 由于 $c_{WB} \sim \mathcal{O}(0.01)$，希格斯粒子衰变宽度 $\Gamma_{h\to\gamma\gamma}$ 的预测偏差可达10%，该偏差在HL-LHC的精度范围内可被探测。
• 未来 $e^{-}e^{+}$ 对撞机（如FCC-ee）可将 $|c_{WB}|(\text{TeV}/\Lambda)^2$ 约束在 $\lesssim 10^{-3}$ 以内，并以超过10σ的显著性检验 $c_T$ 与零值的偏离。
• FCC-ee 和 CEPC 实验有望对导致 $m_W$ 异常的SMEFT算符提供决定性检验，尤其通过高精度的 $Z$ 点和 $WW$ 阈值测量。