[論文レビュー] $(g-2)_\mu$ in the 2HDM and slightly beyond -- an updated view

P. M. Ferreira, B. L. Gonçalves+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、2HDM（Two-Higgs-Doublet Model）の文脈において、ミューオンの異常磁気モーメント $(g-2)_\mu$ を再検討し、特にタイプ-Xおよびミューオン特化型2HDMに、ベクトル型のレプトン（VLLs）を導入した場合の分析を行う。VLLsがミューオンと混合しない場合でも、$(g-2)_\mu$ 異常を説明するための有効なパラメータ空間が著しく拡張され、特にレプトン特化型（タイプ-X）モデルにおいて顕著である。また、電弱精度測定およびヒッグス崩壊の制約と整合的である。VLLsの導入により、ペシューダルヒッグスボソンがより軽量化され、$\tan\beta$ が大きくなることが可能となり、実験的異常（4.2$\sigma$）とのフィットが向上する。

ABSTRACT

The recent measurement of the muon $g - 2$ anomaly continues to defy a Standard Model explanation, but can be accommodated within the framework of two Higgs doublet models. If one further includes extra fermion content in the form of a generation of vector like leptons, the allowed parameter range that explains the anomaly is even further extended, and thorny issues of perturbativity and clashes with $B$-decay constraints avoided. We will show how the muon magnetic moment anomaly can be fit within these models, under the assumption that the vector-like leptons do not mix with the muon. We update previous analyses and include all theoretical and experimental constraints, including searches for extra scalars. It is shown that the inclusion of vector-like fermions allows the lepton-specific and muon-specific models to perform much better in fitting the muon's $g - 2$. These fits do require the Yukawa coupling between the Higgs and the vector-like leptons to be large, causing potential problems with perturbativity and unitarity, and thus models in which the vector-like leptons mix with the muon may be preferred.

研究の動機と目的

• フェルミラブの最新測定を踏まえ、特にタイプ-Xおよびミューオン特化型2HDMが、観測された$(g-2)_\mu$ 異常を説明できるかを再評価すること。
• ミューオンと混合しないベクトル型レプトン（VLLs）の導入が、2HDMのパラメータ空間および異常を説明する可能性に与える影響を調査すること。
• 電弱精度測定、ヒッグス崩壊、B崩壊の制約、ユニタリティなどを含む、理論的および実験的制約を2HDMにVLLsを含めて更新・統合すること。
• 2ループのバラ・ツェー図によるVLL寄与が、標準的タイプ-II 2HDMが直面するB崩壊制約との矛盾を緩和できるかどうかを評価すること。
• 標準的2HDMと比較して、VLLsを含むミューオン特化型2HDMおよびタイプ-X 2HDMの性能を評価し、ヤクバイ・カップリングの摂動的およびユニタリティ制約を検討すること。

提案手法

• 樹形のフレーバー変換中性荷電現在を避けるために$\mathbb{Z}_2$対称性を導入した2HDMを採用し、特にタイプ-Xおよびミューオン特化型モデルに注目する。
• ミューオンと混合しないがヒッグス系にカップリングするベクトル型レプトン（VLLs）を導入し、2ループのバラ・ツェー図を通じて$\Delta a_\mu$ に寄与させる。
• 電弱精度観測量、$B \to K^{(*)} \ell^+\ell^-$ 崩壊、$\tau$ レプトン崩壊、ヒッグスの非可視崩壊モードからの制約を適用し、パラメータ空間を制限する。
• $(g-2)_\mu$ 異常のフィットに、最新のフェルミラブ$\mu$-g-2測定値（$\Delta a_\mu = (251 \pm 59) \times 10^{-11}$）を入力として用いる。
• ユニタリティおよび摂動的制約を含むグローバルフィットを実施し、ヒッグスとVLLs間のヤクバイカップリングに対する$\lambda_{L,R}$ の上限を設定する。
• $m_A$、$\tan\beta$、$m_{H^+}$、およびVLL質量のパラメータ空間における数値スキャンを実施し、ベンチマークポイント（B1、B2）を用いて$(m_A, \tan\beta)$ 平面上の許容領域を可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンと混合しないベクトル型レプトン（VLLs）の導入が、タイプ-X 2HDMにおける$(g-2)_\mu$ 異常を説明するための有効なパラメータ空間を著しく拡張できるか？
• RQ2 B中間子崩壊、$\tau$ レプトン崩壊、ヒッグス非可視崩壊からの制約が、VLLsを含む2HDMの許容パラメータ空間に与える影響は何か？
• RQ3 VLLsによる2ループのバラ・ツェー寄与が、標準的2HDMと比較して、$(g-2)_\mu$ 異常へのフィットをどの程度改善するか？
• RQ4 ヒッグスとVLLs間の大きなヤクバイカップリングが、摂動的およびユニタリティ制約に与える影響は何か？
• RQ5 ミューオン特化型2HDMにVLLsを導入した場合、$(g-2)_\mu$ 異常を満たしつつ、標準的タイプ-IIモデルを除外するB崩壊制約と矛盾しないか？

主な発見

• ミューオンと混合しないVLLsの導入により、タイプ-Xおよびミューオン特化型2HDMは、$m_A$ が10 GeVまで低下し、$\tan\beta$ が30〜50の範囲で、4.2$\sigma$の異常と整合的である$(g-2)_\mu$ 異常を説明可能である。
• 2ループのバラ・ツェー図によるVLL寄与が、B崩壊制約によって以前は除外されていたパラメータ領域を著しく拡大し、新たな解決策を可能にする。
• ユニタリティおよび摂動的制約を満たすためには、ヒッグスとVLLs間のヤクバイカップリング$\lambda_{L,R}$ が大きくなければならない。ベンチマークポイントB1およびB2では、$\lambda_{\text{max}} \lesssim 4\pi$ が上限となる。
• ミューオン特化型2HDMにVLLsを含む場合、$(m_A, \tan\beta)$ 平面上の許容領域は、標準的2HDMと比較して、より低い$m_A$ およびより高い$\tan\beta$ へ拡張され、異常とのフィットが向上する。
• $\tau$ レプトン崩壊および$h \to AA$ 非可視崩壊からの制約は、パラメータ空間をさらに制限するが、VLLsを含むモデルでは依然として有効な解が存在する。
• VLLsがミューオンと混合するモデルは、ヤクバイカップリングの要請が軽減されるため好ましい可能性があるが、混合のないVLLsでも、異常を説明するための有効な道筋を提供していることが確認された。