[论文解读] $W$ boson mass shift and muon magnetic moment in the Zee model

Talal Ahmed Chowdhury, Julian Heeck+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

该论文在Zee模型这一最小辐射中微子质量框架下，统一解释了CDF实验测得的W玻色子质量异常与$(g-2)_\mu$偏差。研究表明，层级化的标量质量谱——特别是重的带电标量与轻的中性标量——对于同时解决这两个异常并满足所有实验约束（包括轻子味破坏与LHC限制）至关重要，并预测了LHC上存在独特的同荷双mu子信号。

ABSTRACT

The CDF collaboration at Fermilab has recently reported a new precision measurement of the $W$~boson mass showing a substantial $7σ$ deviation from the Standard Model prediction. Moreover, Fermilab has recently confirmed the longstanding tension in the $(g-2)_μ$ measurement. We propose a unified solution to these deviations within the simplest radiative neutrino mass model: the Zee model. Our analysis establishes non-trivial links between the origin of neutrino mass, the $(g-2)_μ$ anomaly, and the $W$~boson mass shift while being consistent with lepton flavor violation and all other experimental constraints. We find that the mass spectrum of the physical scalars must be hierarchical to be consistent with the $W$~boson mass shift; remarkably, this is also the key to resolving the $(g-2)_μ$ tension. Furthermore, this mass splitting offers a unique same-sign dimuon signal through which our model can be tested at the LHC.

研究动机与目标

• 解决CDF实验测得的W玻色子质量与标准模型预测之间的7σ偏差。
• 解决mu子反常磁矩$(g-2)_\mu$长期存在的4.2σ偏差。
• 为Zee模型中辐射中微子质量的起源提供一致的框架。
• 识别由标量质量层级引发的可检验信号——LHC上的同荷双mu子产生。
• 确保与所有现有约束兼容，包括轻子味破坏、电弱精确测量以及对撞机限制。

提出的方法

• 采用Zee模型作为涉及两个Higgs双态与一个带电标量$\eta^+$的最小辐射中微子质量机制。
• 施加CP守恒的对齐极限（$\cos(\beta - \alpha) = 0$），以分离出SM类希格斯玻色子并确保与精确电弱数据的兼容性。
• 通过阻滞参数$S$、$T$、$U$及Zee模型中的$\Delta r$修正，计算W玻色子质量偏移的一圈修正。
• 利用顶点函数$G(M, \varepsilon)$与Yukawa耦合，评估带电与中性标量对mu子反常磁矩的一圈贡献。
• 在Zee模型参数空间中执行全局数值扫描，强制满足来自$cLFV$、$M_W$、$(g-2)_\mu$及LHC搜索的约束。
• 识别出由标量质量层级所驱动的独特同荷双mu子信号，其来源于$\eta^+ \to \mu^+ \mu^+$衰变与LHC上$\eta^+ \eta^+ \to \mu^+ \mu^+$的产生过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 Zee模型能否在不违反实验约束的前提下，同时解释CDF实验测得的7σ W玻色子质量偏差与$(g-2)_\mu$异常？
• RQ2 为重现W玻色子质量偏移并解决$(g-2)_\mu$张力，所需标量质量谱为何种形式？
• RQ3 Zee模型中标的量质量层级如何影响轻子味破坏与对撞机信号？
• RQ4 由标量质量层级引发的何种独特LHC信号可被用于检验该模型？
• RQ5 是否存在特定Yukawa纹理，使得模型在同时满足W玻色子质量与$(g-2)_\mu$偏差的同时，仍与$\tau \to 3\mu$实验限制兼容？

主要发现

• 层级化标量质量谱——特别是$m_{H^+} \gg m_{H^0}, m_{A^0}$——是解释CDF实验测得的W玻色子质量偏移所必需的。
• 该质量谱结构同样是解决$(g-2)_\mu$异常的关键，因其增强了带电标量对mu子反常磁矩的一圈贡献。
• 该模型预测LHC上存在独特的同荷双mu子信号，其来源于质量分裂与对mu子具有亲和性的Yukawa耦合所引发的$\eta^+ \eta^+ \to \mu^+ \mu^+$产生过程。
• 该模型与所有现有约束兼容，包括带电轻子味破坏，其中$\tau \to 3\mu$分支比在主要对mu子有亲和性的Yukawa纹理下仍处于Belle II探测灵敏度范围内。
• W玻色子质量偏移由阻滞修正引起，其中$T$参数在导致与标准模型预测7σ偏差中起主导作用。
• 所要求的标量质量层级自然抑制了$cLFV$过程（如$\mu \to e\gamma$），确保与实验限值的兼容性。