[論文レビュー] A Custodial Symmetry for Muon g-2

Reuven Balkin, Cédric Delaunay+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 49被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、カストディアル対称性を備えた新しいモデルを提案し、スカラおよびピロールスカラが質量ゼロの極限において、1ループの寄与が完全にキャンセルされることを保証することで、ニュートリノの磁気モーメント異常（g-2）に寄与する新しい物理効果を自然に抑制する。この抑制にもかかわらず、スカラの放射など、木レベルの過程が強化され、将来の衝突型実験および精度測定実験で検証可能である。

ABSTRACT

We discuss the recent results on the muon anomalous magnetic moment in the context of new physics models with light scalars. We propose a model in which the one-loop contributions to g-2 of a scalar and a pseudoscalar naturally cancel in the massless limit due to the symmetry structure of the model. This model allows to interpolate between two possible interpretations. In the first interpretation, the results provide a strong evidence of the existence of new physics, dominated by the positive contribution of a CP-even scalar. In the second one, supported by the recent lattice result, the data provides a strong upper bound on new physics, specifically in the case of (negative) pseudoscalar contributions. We emphasize that tree-level signatures of the new degrees of freedom of the model are enhanced relative to conventional explanations of the discrepancy. As a result, this model can be tested in the near future with accelerator-based experiments and possibly also at the precision frontier.

研究の動機と目的

• 質量ゼロの極限において、1ループの寄与が自然に抑制される新しい物理フレームワーク内で、観測されたミュオンg-2の不一致を説明すること。
• 最近のラティスQCDの結果を踏まえて、フェルミラブの結果と標準模型予測との間にある緊張を解消すること。
• 1ループの抑制にもかかわらず、木レベルの信号（例：スカラの放射）が依然として大きく保たれるモデルを提案し、将来の実験的検出を可能にすること。
• 軽いスカラのミュオンおよび電子への結合の相互作用を検討し、ミュオン原子分光法および電子ビームダンプ実験からの制約を評価すること。
• ラティスQCDの結果の解釈に応じて、強い新物理の証拠から強い上限に至る統一的枠組みを提供すること。

提案手法

• 4成分のワイルスピンオブジェクトのダブルレットと、4実スカラ場（1スカラ＋3ピロールスカラ）を含むモデルを導入し、グローバルU(1)対称性に従う。
• カストディアル対称性を導入し、スカラおよびピロールスカラによるミュオンg-2の1ループ寄与が質量ゼロの極限で正確にキャンセルされることを保証する。
• ミュオンへのヤコビ結合のみを用い、同じ結合定数を採用することで、対称性構造によるキャンセルを強制する。
• モデルの実験的性質を分析し、木レベルの過程（例：軽いスカラのブレムストラールャン）が100倍程度に強化され、将来的な衝突型加速器で検出可能であることを示す。
• 電子ビームダンプ実験（オルセー、E137、E141）、ミュオン原子1S-2S分光法、電子g-2測定からの制約を評価し、電子結合に対してm_e/m_μの抑制を仮定する。
• フェルミラブg-2の結果およびラティスQCDに基づく標準模型予測と比較し、妥当なパラメータ空間を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性機構によって、1ループのミュオンg-2寄与が自然に抑制されつつも、木レベルの信号が大きく保たれるか？
• RQ2 ラティスQCDを用いた標準模型予測を用いる場合、世界平均g-2の4.2σの不一致と、1.6σの不一致の両者をどのように統合できるか？
• RQ3 本モデルの主要な実験的プローブは何か？ 既存の制約と比較して感度はどの程度か？
• RQ4 m_e/m_μの抑制を仮定した場合、電子結合がモデルの妥当性に与える影響は？
• RQ5 1ループのg-2抑制があるにもかかわらず、将来的な衝突型実験または精度測定実験で本モデルを検証できるか？

主な発見

• カストディアル対称性のおかげで、質量ゼロの極限において、スカラおよびピロールスカラによるミュオンg-2の1ループ寄与が正確にキャンセルされ、自然な抑制が保証される。
• スカラ結合定数がy_φ ≈ 3.6×10⁻⁴の場合、キャンセルがわずかに破れていれば、異常の中央値を説明できる。
• スカラの放射のような木レベルの過程は、従来のモデルと比較して最大でO(100)倍に強化され、将来的な衝突型加速器で検出可能である。
• ミュオン原子1S-2S分光法によって制約を受け、実験的および理論的周波数差の結果から得られるy_μの上限は、図2のオレンジの曲線としてプロットされている。
• 電子ビームダンプ実験（オルセー、E137、E141）はパラメータ空間のグレー領域を除外するが、ミュオン原子分光法は他のプローブに比べて弱い制約をもたらす。
• ラティスQCDに基づく標準模型予測を用いても、モデルは依然として妥当であり、1ループの抑制のおかげで1.6σの上限を回避できる。一方、木レベルの信号により将来的な実験的検証が可能である。