[论文解读] W-boson mass in the triplet seesaw model

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出，CDF合作组在W玻色子质量测量中观测到的7σ偏差，可通过引入电弱三重态标量的II型 seesaw 模型来解释。该模型生成马约拉纳中微子质量，并预测存在质量在100–200 GeV之间的双荷标量H⁺⁺，其通过斜向修正（oblique corrections）对W玻色子质量产生贡献。该模型所青睐的参数空间可通过LHC上的Drell–Yan过程和同荷双玻色子衰变完全检验。

ABSTRACT

The CDF collaboration has recently published a precision measurement of the W-boson mass that differs from the Standard Model prediction by seven standard deviations. This result can be explained with additional electroweak multiplets that either break the custodial symmetry or contribute to oblique parameters at loop level. Here, we study one of the best-motivated scenarios involving new multiplets: the type-II seesaw model, which involves a scalar triplet that generates Majorana neutrino masses and can furthermore resolve the W-boson mass discrepancy. This favors a doubly-charged scalar with mass between 100 and 200 GeV as well as other scalars with a fixed mass splitting. The entire preferred parameter space is testable at the LHC.

研究动机与目标

• CDF合作组近期对W玻色子质量的测量结果与标准模型预测存在7σ的偏差，表明宇称守恒对称性可能存在破坏。
• 该异常促使人们提出具有扩展电弱多重态的新物理模型，以生成对W玻色子质量的斜向修正。
• II型 seesaw 模型是一个合理候选，因为它能同时解释中微子质量，并可说明W玻色子质量的偏差。
• 本研究旨在检验三重态 seesaw 模型是否能一致地解释CDF结果，同时与现有的电弱精确测量数据和对撞机约束相容。
• 本研究的目标是确定该模型的可行参数空间，并评估其在LHC上的可检验性。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上引入一个超荷为+2的SU(2)_L三重态标量Δ，其真空期望值v_Δ通过Yukawa耦合生成马约拉纳中微子质量。
• 通过S和T参数计算对W玻色子质量的斜向修正，CDF结果要求T ≈ 0.27且S ≈ 0.17，该结果来自对电弱精确数据的全局拟合。
• 三重态粒子的质量劈裂由标量势中的四次耦合λ₄决定，满足m_H⁺⁺² ≈ m_H⁺² + (λ₄ v²)/2，且m_H² ≈ m_A² ≈ m_H⁺² + (λ₄ v²)/4。
• 该模型预测双荷H⁺⁺玻色子主要通过规范相互作用衰变为W⁺W⁺，其衰变宽度∝ g⁴ v_Δ² m_H⁺⁺³ / m_W⁴。
• 应用轻子味违反和同荷轻子对搜寻的约束，要求Y ≪ 1且v_Δ < 1 GeV，以抑制轻子衰变。
• 通过Drell–Yan过程截面（1–0.1 pb）和衰变末态（包括H⁺⁺ → 4W和H⁺ → 3W通过虚W玻色子）评估LHC的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 II型 seesaw 模型能否在与电弱精确测量数据一致的前提下，解释CDF实验中W玻色子质量测量的7σ偏差？
• RQ2 哪些三重态标量（特别是H⁺⁺）的质量和耦合范围可以产生所需的斜向修正（S ≈ 0.17，T ≈ 0.27）？
• RQ3 来自轻子味违反和同荷轻子对搜寻的约束如何限制该模型的参数空间，特别是对H⁺⁺衰变的影响？
• RQ4 在优选参数区域中，H⁺⁺、H⁺以及中性标量H和A的主要衰变道是什么？它们在LHC上如何被探测？
• RQ5 整个三重态标量谱是否可在LHC上被检验？其关键发现信号是什么？

主要发现

• CDF实验中W玻色子质量异常可通过II型 seesaw 模型解释，其中双荷H⁺⁺玻色子质量位于100至200 GeV之间。
• 为抑制轻子味违反并使H⁺⁺衰变为同荷轻子的分支比低于实验限值，模型要求三重态真空期望值极小，即v_Δ < 1 GeV。
• H⁺⁺的主要衰变模式为H⁺⁺ → W⁺W⁺，其衰变宽度与g⁴ v_Δ² m_H⁺⁺³ / m_W⁴成正比，因此可通过LHC上的Drell–Yan过程探测。
• 在100–200 GeV质量范围内，pp → H⁺⁺H⁻⁻的产生截面介于1 pb至0.1 pb之间，因此可在LHC上被检验。
• 带电H⁺和中性H/A标量的质量比H⁺⁺重约60–80 GeV，其衰变宽度因v_Δ²而被抑制，导致多重末态如H⁺ → 3W（通过虚W玻色子）。
• 质量在200至300 GeV之间的中性标量H和A主要通过虚W玻色子衰变，仅在H⁺⁺被首先观测到后才可探测，因此其寻找为次要但关键的确认手段。