[論文レビュー] Effective field theory interpretation of lepton magnetic and electric dipole moments

Jason Aebischer, Wouter Dekens+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 146被引用数 74

ひとこと要約

本稿は、SMEFTおよびLEFTフレームワークにおける1ループ有効場理論（EFT）技術を用いて、レプトンの磁気双極子モーメントおよび電気双極子モーメントについてモデルに依存しない解析を提供する。その結果、観測された4.2σの偏差を説明できるのは、限定的なSMEFTオペレーターに限られ、具体的には双極子オペレーターCeWおよびCeB、および特定の半レプトン的4フェルミオンオペレーターである。この偏差はトップクォークのループおよび非摂動的QCD効果によって顕著に寄与する。

ABSTRACT

We perform a model-independent analysis of the magnetic and electric dipole moments of the muon and electron. We give expressions for the dipole moments in terms of operator coefficients of the low-energy effective field theory (LEFT) and the Standard Model effective field theory (SMEFT). We use one-loop renormalization group improved perturbation theory, including the one-loop matching from SMEFT onto LEFT, and one-loop lepton matrix elements of the effective-theory operators. Semileptonic four-fermion operators involving light quarks give sizable non-perturbative contributions to the dipole moments, which are included in our analysis. We find that only a very limited set of the SMEFT operators is able to generate the current deviation of the magnetic moment of the muon from its Standard Model expectation.

研究の動機と目的

• 有効場理論を用いて、観測された4.2σのミューオンの異常磁気モーメント（g−2）のずれをモデルに依存しない解釈を提供すること。
• SMEFTおよびLEFTにおける高次元オペレーターのうち、観測された双極子モーメントのずれを生成できるものを同定すること。
• 1ループの並び替え群の発展、SMEFTからLEFTへのマッチング、および軽クォークの半レプトン的オペレーターからの非摂動的QCD効果を含めること。
• 電気双極子モーメントの厳密な制約と整合するように、ウィルソン係数の虚数部を制限すること。

提案手法

• SMEFTからLEFTへの1ループマッチングを実行し、1ループの異常次元を用いてオペレーターを発展させる。
• QCD補正を含めたトップクォークおよびチアムクォークのループを介した1ループのレプトン双極子モーメントの寄与を計算する。
• Lattice QCDから得られたO(1)パラメータを用いて、半レプトン的4フェルミオンオペレーターからの非摂動的効果を組み込む。
• SMEFTおよびLEFTのウィルソン係数を用いたマスターフォーミュラを用いて、∆aµおよび∆aeをオペレーター係数の関数として表現する。
• レプトクォークモデルおよび2重ヒッグス・ダブルレットモデルを具体的な例として分析する。
• ミューオンのEDM制約およびµ→eγの分岐比を用いて、特定のBSM解釈を除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのSMEFTおよびLEFTオペレーターが、観測された4.2σのミューオンの異常磁気モーメントのずれを生成できるか？
• RQ2 1ループの並び替え、マッチング、非摂動的QCD効果が双極子モーメントへの寄与にどのように影響するか？
• RQ3 電子およびミューオンのEDM制約は、SMEFTにおけるウィルソン係数の虚数部にどのような制限を課えるか？
• RQ4 レプトクォークモデルは、µ→eγやEDM制約に違反することなく、ミューオンおよび電子のg−2異常を同時に説明できるか？
• RQ5 EFT内で∆aµ ∼ 251×10−11を生成するには、どの特定のオペレーター係数の組み合わせが必要か？

主な発見

• 新しい物理が電弱スケールより上にある場合、観測された∆aµを生成できるのは、双極子オペレーターCeWおよびCeB、および半レプトン的4フェルミオンオペレーターC(3)lequ2222およびC(3)lequ2233に限られる。
• レプトクォークモデルにおけるヘリカルに強化されたトップクォークのループ寄与は、M1 ∼ 1–10 TeVおよびヤコビ係数が1に近い場合に、この異常を説明できる。
• µ→eγの分岐比が4.2×10−13の実験的上限を超えるため、同じレプトクォークが∆aeおよび∆aµの両方を説明することは不可能である。
• ∆aeおよび∆aµが両方ともトップクォークのループによって説明される場合、µ→eγの最小分岐比は1.5×10−4に達し、実験的上限を大きく上回る。
• 半レプトン的オペレーターにおける非摂動的QCD効果は顕著であり、非摂動的に決定されたO(1)パラメータを用いて含める必要がある。
• 電子EDM制約を満たすためには、実部が約10−10のオーダーであると仮定した場合、ウィルソン係数の虚数部は少なくとも10^5のオーダーで抑制されなければならない。