[論文レビュー] $(g-2)_{e,\,μ}$ and strongly interacting dark matter with collider implications

Anirban Biswas, Sarif Khan|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電子およびミューオンの異常磁気モーメントの偏差を同時に標準模型予測から説明するため、スカラーダークマター候補を有するシングレットベクトル型フェルミオン $\chi^\pm$ とスカラー ($\Phi'_2$ または $\Phi'_4$) を導入した拡張された $L_\mu - L_\tau$ モデルを提案する。このモデルは、新しいヤコビ相互作用を通じて $a_e$ に1ループの寄与を生成しつつ、$a_\mu$ への $Z_{\mu\tau}$-媒介寄与を保存する。また、再結合密度、ユニタリティ、自己相互作用制約を満たすMeVスケールの強い相互作用を示すダークマター候補を予測し、$e^+e^-$衝突型加速器で検出可能な信号を示す。

ABSTRACT

The quest for new physics beyond the Standard Model is boosted by the recently observed deviation in the anomalous magnetic moments of muon and electron from their respective theoretical prediction. In the present work, we have proposed a suitable extension of the minimal $L_μ-L_τ$ model to address these two experimental results as the minimal model is unable to provide any realistic solution. In our model, a new Yukawa interaction involving first generation of leptons, a singlet vector like fermion ($χ^{\pm}$) and a scalar (either an SU(2)$_{L}$ doublet $Φ^\prime_2$ or a complex singlet $Φ^\prime_4$) provides the additional one loop contribution to $a_{e}$ only on top of the usual contribution coming from the $L_μ-L_τ$ gauge boson ($Z_{μτ}$) to both electron and muon. The judicious choice of $L_μ-L_τ$ charges to these new fields results in a strongly interacting scalar dark matter in $\mathcal{O}({ m MeV})$ range after taking into account the bounds from relic density, unitarity and self interaction. The freeze-out dynamics of dark matter is greatly influenced by $3 ightarrow2$ scatterings while the kinetic equilibrium with the SM bath is ensured by $2 ightarrow2$ scatterings with neutrinos where $Z_{μτ}$ plays a pivotal role. The detection of dark matter is possible directly through scatterings with nuclei mediated by the SM $Z$ bosons. Moreover, our proposed model can also be tested in the upcoming $e^+e^-$ colliders by searching opposite sign di-electron and missing energy signal i.e. $e^{+} e^{-} ightarrow χ^{+} χ^{-} ightarrow e^{+} e^{-} \cancel{E}_T$ at the final state.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えて、長年の電子およびミューオンの異常磁気モーメントの乖離を解消すること。
• 両方の異常を同時に説明できない最小限の $L_\mu - L_\tau$ モデルを、特定の $L_\mu - L_\tau$ 電荷を持つ新しい場を導入することで拡張すること。
• 再結合密度、ユニタリティ、自己相互作用の境界と整合する強い相互作用を示す実現可能なダークマター候補を構築すること。
• 特に $e^+e^-$衝突型加速器における検出可能なコライダー断面積を同定すること、過程 $e^+e^- \to \chi^+\chi^- \to e^+e^- \cancel{E}_T$ を通じて。

提案手法

• 第一世代のレプトン、ベクトル型フェルミオン $\chi^\pm$、およびスカラー ($\Phi'_2$ または $\Phi'_4$) を含む新しいヤコビ相互作用を導入し、$a_e$ に1ループの寄与を生成する。
• 新しい場に $L_\mu - L\tau$ 電荷を割り当てることで、スカラーダークマター候補が強い相互作用を示すようにし、質量を $\mathcal{O}(\text{MeV})$ の範囲に保つ。
• $Z_{\mu\tau}$ ボソンを介してニュートリノとの $2\to2$ 散乱を介し、ダークマターが標準模型の熱浴と運動的平衡を保つようにする。
• ダークマターの凍結過程の主な寄与を $3\to2$ 生成過程として扱い、再結合密度のダイナミクスに顕著な変化をもたらす。
• ラグランジアンから、新しいスカラーが電子および $\chi^\pm$ に及ぼすスカラーおよびピアノスカラー結合 $g^{s,p}_{\phi_i}$ を混合角とヤコビ結合定数を用いて導出する。
• $a_e$ に対する全新物理寄与を $\Delta a_e = \Delta a^{\text{scalar}}_e + \Delta a^{Z_{\mu\tau}}_e$ として計算し、$\Delta a^{Z_{\mu\tau}}_e$ を $L_\mu - L_\tau$ セクターから引き継ぐ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の $L_\mu - L_\tau$ モデルは、観測された $(g-2)_{\mu}$ および $(g-2)_e$ の異常を同時に説明できるか？
• RQ2 $a_\mu$ に影響を与えることなく、$a_e$ に1ループ寄与を生成するためには、どのような新しいスカラーおよびフェルミオン状態が必要か？
• RQ3 この拡張モデルにおける強い相互作用を示すMeVスケールのダークマター候補の宇宙論的およびコライダー制約は何か？
• RQ4 $3\to2$ 生成過程とニュートリノとの $2\to2$ 散乱が、ダークマターの凍結ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 将来の $e^+e^-$ コライダーにおいて、特に $e^+e^- \to \chi^+\chi^- \to e^+e^- \cancel{E}_T$ チャネルを通じて、どのような検出可能なシグネチャが得られるか？

主な発見

• モデルは、$Z_{\mu\tau}$ ボソンを介して $a_\mu$ の $4.2\sigma$ の乖離を成功裏に説明し、最小限の $L_\mu - L_\tau$ モデルと整合的である。
• 新しいヤコビ相互作用が $\chi^\pm$、第一世代のレプトン、およびスカラー ($\Phi'_2$ または $\Phi'_4$) を含み、$a_e$ に1ループ寄与を生成し、電子の異常を解消する。
• ダークマター候補は、$\mathcal{O}(\text{MeV})$ のスケールの質量を有する強い相互作用を示すスカラーダークマターであり、再結合密度、ユニタリティ、自己相互作用の境界を満たす。
• ダークマターの凍結は $3\to2$ 生成過程が支配的であり、$Z_{\mu\tau}$ を介した $2\to2$ 散乱によってニュートリノと運動的平衡が維持される。
• 直接検出は $Z$ ボソン交換を通じた核子散乱により可能であり、実現可能な検出チャネルを提供する。
• モデルは $e^+e^-$ コライダーで特徴的なシグネチャを予測する：$e^+e^- \to \chi^+\chi^- \to e^+e^- \cancel{E}_T$ であり、重要な検証可能なシグネチャを提供する。