[論文レビュー] A simple model for explaining muon-related anomalies and dark matter

Cheng-Wei Chiang, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ミューオン特異的なglobal U(1)μ対称性とZN対称性を導入した標準模型の最小限の拡張を提案し、ミューオンの異常磁気モーメントと観測されたダークマターの残存密度を同時に説明する。モデルは、Exoticなベクトル型のレプトンダブルット、3つの右手型メジャノナニュートリノ、およびスカラー形式のダークマター候補（実数または複素数）を導入し、(g−2)μの異常とB中間子崩壊の異常を両方ともうまく説明するとともに、レプトンフレーバー非保存および中間子混合の制約を満たしている。

ABSTRACT

We propose a model to explain several muon-related experimental anomalies and the abundance of dark matter. We introduce an vector-like exotic lepton that form an iso-doublet and three right-handed Majorana fermions as an iso-singlet. A real/complex scalar field is added as a dark matter candidate. We impose a global $U(1)_ μ$ symmetry under which fields associated with the SM muon are charged. To stabilize the dark matter, we impose a $Z_2$ (or $Z_3$) symmetry under which the exotic lepton doublet and the real (or complex) scalar field are charged. We find that the model can simultaneously explain the muon anomalous magnetic dipole moment and the dark matter relic density in no conflict with any lepton flavor-violating/conserving observables, with some details depending upon whether the scalar field is real or complex. Besides, we extend the framework to the quark sector in a way similar to the lepton sector, and find that the recent anomalies associated with the $b o s μ^+ μ^-$ transition can also be accommodated while satisfying constraints such as the $B_{s(d)} o μ^+ μ^-$ decays and neutral meson mixings.

研究の動機と目的

• ミューオンの異常磁気モーメント（g−2)μにおける長年の不一致（3.3σ）を解消すること。
• 観測された残存密度と整合する、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）としての妥当なダークマター候補を提供すること。
• B→K*μ+μ−崩壊における最近の異常、特にレプトンフレーバー非ユニバーサル性を示すR_KおよびR_K*のずれを説明すること。
• Z→μ+μ−崩壊、B_s→μ+μ−崩壊、および中性中間子混合からの厳密な制約と両立すること。
• 単一の対称性構造によって複数のミューオン関連異常を統一的に説明する、最小限で再規範化可能なフレームワークを構築すること。

提案手法

• ミューオン系のみが電荷を帯びるglobal U(1)μ対称性に従う、ベクトル型のExoticなレプトンダブルットおよび3つの右手型メジャノナフェルミオンを追加の場として導入する。
• 安定性を保証するため、Z2またはZ3対称性に従う実数または複素数のスカラー場をダークマター候補として仮定する。
• U(1)μ×ZN対称性を導入し、望ましくないフレーバー変換過程を抑制するとともに、ミューオン特異的相互作用を媒介する。
• Exoticなレプトンダブルットとスカラーシングレットを用いて、ミューオンの異常磁気モーメントに対する1ループ寄与を計算する。
• 重いクォークおよびスカラー状態を積分して除いた有効な弱いハミルトニアンを導出し、ウィルソン係数に一致させる。
• 実験的データ（(g−2)μ、R_K、R_K*、B→K*μ+μ−の角度分布、LFVおよび中間子混合の制約）を統合したグローバルフィットを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのモデルが、ミューオンの(g−2)μ異常と観測されたダークマターの残存密度を同時に説明できるか？
• RQ2 U(1)μ対称性によって媒介されるミューオン特異的相互作用は、ミューオンの磁気モーメントおよびダークマターの実験的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 B_s→μ+μ−または中性中間子混合からの制約に反しない範囲で、モデルがB→K*ℓ+ℓ−崩壊におけるR_KおよびR_K*の異常を説明できるか？
• RQ4 スカラーダークマターの性質（実数対複素数）が、妥当なパラメータ空間および検証可能性に与える影響は何か？
• RQ5 Z→μ+μ−崩壊およびLHCによるExoticクォークおよびレプトンの探索からの制約が、許容可能なパラメータ空間をどのように制限するか？

主な発見

• ミューオン特異的U(1)μ対称性とExoticなベクトル型レプトンダブルットを用いて、3.3σの不一致を示すミューオンの異常磁気モーメントを成功裏に説明できる。
• 実数スカラーDMの場合、許容される質量範囲は90–180 GeV、|fμ|は2.2–3.3、Exoticミューオン質量M_μ′は160–340 GeVである。
• 複素数スカラーDMの場合、許容される質量範囲は7–14 GeV、|fμ|は1.2–2.3、M_μ′は130–240 GeVである。
• Z→μ+μ−崩壊の分岐比制約が、特に実数スカラーの場合、パラメータ空間を顕著に制限する。
• モデルがB中間子の異常（R_KおよびR_K*）を説明できるのは、スカラーが複素数の場合に限る。実数スカラーの場合は破壊的干渉のため、このシナリオは除外される。
• 質量が約10 GeVの複素スカラーDMは、その特徴的な質量範囲と結合定数の違いにより、実数スカラーのケースとは区別可能なテスト可能なシグネチャを示す。