[論文レビュー] Combined explanations of $(g-2)_μ$, $(g-2)_e$ and implications for a large muon EDM

Andreas Crivellin, Martin Hoferichter|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

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ひとこと要約

この論文は、標準模型を越えた理論的枠組みにおいて、ミューオンと電子の異常磁気モーメントの同時 anomalies 《(g-2)_μ と (g-2)_e》を、BSM 物理におけるチャーミカル強調によって説明する。同時に、ミューオンと電子のセクターを分離することで、μ→eγ の厳しい制約を回避する。この分離により、電子の電気双極子モーメント（EDM）とは相関のない大きなミューオンの EDM（d_μ）が可能となり、フェルミラブ、J-PARC、特に PSI での専用ミューオン EDM 実験で将来検出可能となる。

ABSTRACT

We consider possible beyond-the-Standard-Model (BSM) effects that can accommodate both the long-standing tension in the anomalous magnetic moment of the muon, $a_μ=(g-2)_μ/2$, as well as the emerging $2.5σ$ deviation in its electron counterpart, $a_e=(g-2)_e/2$. After performing an EFT analysis, we consider BSM physics realized above the electroweak scale and find that a simultaneous explanation becomes possible in models with chiral enhancement. However, this requires a decoupling of the muon and electron BSM sectors to avoid the strong constraints from $μ o eγ$. In particular, this decoupling implies that there is no reason to expect the muon electric dipole moment (EDM) $d_μ$ to be correlated with the electron EDM $d_e$, avoiding the very stringent limits for the latter. While some of the parameter space for $d_μ$ favored by $a_μ$ could be tested at the $(g-2)_μ$ experiments at Fermilab and J-PARC, a dedicated muon EDM experiment at PSI would be able to probe most of this region.

研究の動機と目的

• 単一の BSM フレームワーク内で、(g-2)_μ に 3–4σ のずれと、(g-2)_e に 2.5σ のずれが同時に発生することを説明すること。
• μ→eγ からの強い制約を回避するため、ミューオンと電子の BSM セクターを分離すること。
• 実験で厳密に制限されている d_e の条件下で、ミューオンの電気双極子モーメント（d_μ）に及ぼす影響を検討すること。
• 近い将来の実験——フェルミラブ、J-PARC、および提案中の PSI ミューオン EDM 実験——が、g-2 異常と整合するパラメータ空間をどの程度探査できるかを評価すること。

提案手法

• レプトン双極子モーメントの有効場理論（EFT）解析を実施し、ウィルソン係数 c_R^{ℓℓ} が (g-2) と EDM 捐贈の両方の寄与を担うことを同定する。
• μ→eγ からの制約を適用し、c_R^{eμ} が相関を持つモデルを除外する。これにより、電子とミューオンの BSM セクターの分離が必須となる。
• チャーミカル強調機構を用いて、符号が反対の Δa_μ と Δa_e を生成し、MFV に基づく相関を回避する。
• d_e が d_μ に及ぼす三ループ寄与を評価し、|d_μ| ≲ 0.9 × 10^{-19} ecm（90% C.L.）という間接的制限を得る。
• 冷凍スピン技術を用いて、将来的な実験の d_μ 探査感度を予測し、特に提案中の PSI 実験に注目する。
• Δa_μ と c_R^{μμ} の位相に関する許容可能なパラメータ空間をマップし、位相が O(1) のとき d_μ が大きく、(g-2)_μ 異常と整合する可能性があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の BSM モデルが、(g-2)_μ の 3–4σ の異常と (g-2)_e の 2.5σ の異常を同時に説明可能か？
• RQ2 実験で強く制限されている電子の EDM（d_e）の下で、ミューオンの電気双極子モーメント（d_μ）にどのような影響があるか？
• RQ3 μ→eγ の制約を回避しつつ、(g-2)_μ と (g-2)_e に大きな寄与を生成するにはどうすればよいか？
• RQ4 PSI での専用ミューオン EDM 実験が、現在の (g-2)_μ 異常と整合するパラメータ空間をどの程度探査できるか？
• RQ5 チャーミカル強調は、d_e を大きくしないまま、d_μ を大きく可能にする役割を果たすか？

主な発見

• チャーミカル強調を持つモデルにおいて、μ と電子の BSM セクターを分離することで、Δa_μ ≈ 270 × 10^{-11} と Δa_e ≈ -0.88 × 10^{-12} の同時説明が可能である。
• ミューオンと電子のセクターを分離することで、d_μ と d_e の相関が回避され、|d_e| < 1.1 × 10^{-29} ecm の厳密な実験制限のもとでも、d_μ を大きくすることが可能となる。
• 三ループ図からの d_μ への間接的制限は |d_μ| ≲ 0.9 × 10^{-19} ecm であり、BNL の直接的制限より弱いが、将来的な実験でこれを上回る可能性がある。
• フェルミラブと J-PARC 実験は、d_μ を 10^{-21} ecm まで探査できると予想されるが、PSI での専用ミューオン EDM 実験は、これより少なくとも1桁の感度向上が期待される。
• 提案中の PSI 実験は、c_R^{μμ} の位相が O(1) のパラメータ空間の大部分を探査可能であり、これは (g-2)_μ 異常と整合する最大の d_μ 値に対応する。
• 現在の |d_e| の制限は非常に厳しく、d_μ の直接的制限よりも支配的であるが、将来的な d_μ 実験はこの間接的制限を上回るようになる。