[论文解读] $Z$ boson mixing and the mass of the $W$ boson

Y. Zeng, Chengfeng Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出，Z玻色子与额外规范玻色子之间的树图混合可解释CDF合作组观测到的W玻色子质量过剩。在导数门户暗物质模型中，存在一个可行的参数空间，能够重现W玻色子质量、暗物质丰度以及来自偏斜参数和间接探测的约束，其中额外玻色子质量接近120 GeV。U(1)扩展模型由于严格的偏斜参数约束，仅能对W质量贡献约27 MeV。

ABSTRACT

We explore the possibility of explaining the $W$ boson mass with an extra gauge boson mixing with the $Z$ boson at tree level. Extra boson mixing with the $Z$ boson will change the expression of the $Z$ boson mass, thus altering the $W$ boson mass. We explore two models in this work. We find that in the Derivative Portal Dark Matter model, there are parameters space which can give the observed $W$ boson mass, as well as the observed Dark Matter relic density. These parameters space can also fulfill the constraints from the electroweak oblique parameters and Dark Matter indirect detection. In the U(1) extension model, the kinetic mixing between extra boson and $B$ boson can also give the observed $W$ boson mass. However, to fulfill electroweak oblique parameters fit the kinetic mixing in the U(1) model can only contribute about $27~\mathrm{MeV}$ extra mass to the Standard Model $W$ boson mass. Both models indicate the extra vector boson with the best fit mass around $120~\mathrm{GeV}$.

研究动机与目标

• 解释CDF实验测量的W玻色子质量（80.4335 ± 0.0094 GeV）超过标准模型预测值（80.357 ± 0.006 GeV）的现象，表明可能存在新物理。
• 研究Z玻色子与额外规范玻色子之间的树图混合是否能产生观测到的W玻色子质量增强效应。
• 评估两种模型——导数门户暗物质（DPDM）与U(1)扩展——在电弱偏斜参数、暗物质丰度及间接探测约束下的可行性。
• 确定能同时满足W玻色子质量测量以及多种高精度电弱与暗物质约束的额外矢量玻色子的质量与耦合要求。

提出的方法

• 通过包含与额外矢量玻色子混合的2×2质量矩阵建模Z玻色子质量，通过修正规范耦合改变W玻色子质量。
• 将费米实验室CDF实验测得的m_W = 80.4335 ± 0.0094 GeV作为拟合模型参数的关键输入。
• 应用电弱偏斜参数（S、T、U）的约束，以限制两种模型中的可行参数空间。
• 在DPDM模型中引入暗物质丰度与间接探测约束，以检验其宇宙学可行性。
• 进行χ²分析，将模型预测与全局电弱拟合结果进行比较，特别关注S、T与U参数。
• 在两种模型中推导出T参数与χ²的解析表达式，以理解拟合对s_w与混合参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Z玻色子与额外规范玻色子之间的树图混合是否能在不违反其他高精度电弱约束的前提下，解释CDF实验中W玻色子质量的测量结果？
• RQ2 在导数门户暗物质模型中，哪些可行参数区域能同时重现W玻色子质量、暗物质丰度与间接探测限制？
• RQ3 在满足偏斜参数约束的前提下，U(1)扩展模型对W玻色子质量增强的贡献程度如何？
• RQ4 尽管T参数行为相似，为何DPDM与U(1)模型的χ²等高线存在显著差异？
• RQ5 在每种模型中，哪种额外矢量玻色子质量最能拟合W玻色子质量异常？

主要发现

• 在导数门户暗物质模型中，存在一个可行的参数空间，能够重现观测到的W玻色子质量、实测的暗物质丰度，并满足偏斜参数与间接探测的约束。
• DPDM模型中额外矢量玻色子的最佳拟合质量约为120 GeV，与W玻色子质量异常一致。
• 在U(1)扩展模型中，由于S参数的强约束，与B玻色子的动能混合仅能对W玻色子质量贡献约27 MeV。
• 当W质量增强时，U(1)模型中的S参数显著偏离其中心值（0.005），不利于大质量贡献。
• DPDM模型中的χ²对T参数的变化比U(1)模型更敏感，导致其χ²等高线形状更受约束且更独特。
• 在U(1)模型中，当s_w固定时，T参数对混合参数ε的依赖性较弱，但在等高线的左下区域有所增加，表明需在s_w与ε之间进行权衡以维持良好拟合。