[论文解读] W boson mass in Singlet-Triplet Scotogenic dark matter model

Aditya Batra, ShivaSankar K. A+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种单重态-三重态自热暗物质模型，通过引入一个无超荷的SU(2)L三重态标量，其真空期望值（VEV）在树图级别贡献于W玻色子质量，从而解释CDF-II实验中W玻色子质量的异常。该模型同时在一阶图中生成中微子质量，并提供一个可行的费米子型暗物质候选者，其S、T、U参数及直接探测约束在广阔参数空间内与实验数据一致。

ABSTRACT

The recent high precision measurement of $W$ boson mass by CDF-II collaboration points to the contribution(s) of new physics beyond the Standard Model. One of the minimalistic ways to account for the anomalous $W$ boson mass is by introducing a hyperchargeless real $SU(2)_L$ triplet scalar whose vacuum expectation value explicitly contributes to the $W$ boson mass at the tree level while the $Z$ boson mass remains the same. Such a triplet can be naturally embedded in a singlet-triplet scotogenic model for one loop neutrino mass generated by dark sector particles running in the loop. We discuss the detailed phenomenology of the model, obtaining the parameter space consistent with the CDF-II $W$ boson mass measurements. The dark matter as well as the constraints comings from $S$, $T$, $U$ parameters are also analyzed.

研究动机与目标

• 解释CDF-II实验中W玻色子质量测量值与标准模型预测之间7σ的偏差。
• 在自热模型中嵌入一个无超荷的SU(2)L三重态标量，以实现一阶图中微子质量生成。
• 确保模型与电弱精确可观测量（S、T、U参数）的一致性。
• 在可行的费米子型暗物质场景下，满足暗物质丰度与直接探测约束。
• 探索具有增强直接探测前景的混合单重态-三重态暗物质的理论现象学。

提出的方法

• 引入一个无超荷的SU(2)L三重态标量Ω，其真空期望值vΩ在树图级别修正W玻色子质量，而不影响Z玻色子质量。
• 构建标准模型的最小扩展，包含一个单重态费米子N、一个三重态费米子Σ、一个双态标量η，以及一个三重态标量Ω，所有粒子均受Z2暗对称性保护。
• 通过η与Ω的交换实现一阶图中微子质量生成，其中三重态标量Ω闭合费曼图。
• 计算S、T、U参数，以电弱精确测量数据（包括CDF-II的W玻色子质量）约束模型。
• 分析暗物质现象学，包括通过共湮灭过程获得的暗物质丰度，以及通过Z玻色子与希格斯玻色子介导的自旋无关散射实现的直接探测。
• 考虑单重态费米子N与三重态Σ的中性分量之间的混合，导致形成具有增强直接探测灵敏度的混合暗物质态。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有小真空期望值的无超荷SU(2)L三重态标量是否能在树图级别解释CDF-II实验中W玻色子质量的测量？
• RQ2 该三重态标量如何与自热模型一致地嵌入，以实现一阶图中微子质量生成？
• RQ3 S、T、U精确可观测量对模型参数有何约束，特别是在CDF-II结果的背景下？
• RQ4 该模型是否提供一个满足暗物质丰度与直接探测约束的可行暗物质候选者？
• RQ5 单重态与三重态费米子之间的混合如何影响暗物质现象学，特别是直接探测？

主要发现

• CDF-II实验测得的W玻色子质量为80.4335 ± 0.0094 GeV，可通过一个无超荷SU(2)L三重态标量的真空期望值在树图级别解释，所需vΩ ≈ 1.5 GeV以匹配观测到的偏差。
• 该模型成功通过η与Ω的交换在一阶图中生成中微子质量，其中后者闭合费曼图。
• 计算了S、T、U参数，结果与全局拟合一致，主要贡献来自双态标量η与三重态标量Ω。
• 费米子型暗物质候选者（单重态N与三重态Σ的中性分量的混合态）在广泛参数空间内满足观测到的暗物质丰度。
• 由于N与Σ之间的混合，直接探测被增强，导致通过Z与希格斯玻色子介导的树图级与核子耦合非零，其截面在当前LUX-ZEPLIN与XENON1T实验的限制范围内。
• 该模型提供了一个统一框架，用单一、最小的扩展标准模型解释了CDF-II异常、中微子质量生成与暗物质。