[論文レビュー] Muon g-2 in Lepton Portal Dark Matter

Y. Bai, J. Berger|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、実スカラー暗黒物質粒子と電荷を帯びたフェルミオン的媒介粒子を有するレプトンポータル暗黒物質モデルを提案する。内部自由度の数が非常に大きく（$n_f \approx 30$）なることで、間接検出信号が抑制されつつ、同時に観測された$4.2\sigma$のミュオンの異常磁気モーメント$(g-2)_\mu$の過剰を説明可能である。このモデルは、リリック密度、直接検出、加速器実験の制約と整合しており、暗黒物質および媒介粒子の質量が200 GeV未塔に保たれる。

ABSTRACT

The Lepton Portal Dark Matter model, in which dark matter states only coupling to the charged leptons, can explain the excess of the muon anomalous magnetic moment measured by the Muon $g - 2$ experiment. In this paper, we demonstrate that real, charge-neutral scalar dark matter with a large number of internal degrees of freedom and a mass approximately degenerate with the charged fermionic mediator state can accommodate the $(g - 2)_μ$ excess. The model remains consistent with the dark matter relic abundance, direct detection, and indirect detection constraints. The dark matter and its charged fermion partner masses are constrained to be below around 200 GeV. The high-luminosity LHC and future lepton colliders, as well as indirect searches at CTA and GAMMA-400, can test this scenario.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える renormalizable モデルを用いて、ミュオンの異常磁気モーメント$(g-2)_\mu$における$4.2\sigma$の乖離を説明すること。
• この$(g-2)_\mu$の過剰を、リリック密度、直接検出および間接検出の制約と調和させた暗黒物質の素粒子的側面を統合すること。
• 暗黒物質系における内部自由度数$n_f$の増加が、間接検出信号をどのように抑制し、実験的制約を緩和するかを調査すること。
• 200 GeV未塔の質量を持つ実スカラー暗黒物質状態および電荷を帯びたフェルミオン的媒介粒子の両方が、すべての制約を満たすパラメータ空間を同定すること。
• 将来の実験的探査手段、特に高輝度LHC、レプトン衝突加速器、およびCTAやGAMMA-400のようなガンマ線望遠鏡を特定すること。

提案手法

• 実スカラー暗黒物質粒子$X$と電荷を帯びたフェルミオン的媒介粒子$\psi_\ell$を有するレプトンポータル暗黒物質モデルを導入し、$\lambda \overline{\psi}_\ell \psi_\ell X$の相互作用項を導入する。
• 暗黒物質を$n_f$個の degenerate 状態からなる多重項として扱うために、グローバル$S_{n_f}$対称性を導入し、$\lambda$の必要量を$1/\sqrt{n_f}$で減少させ、$\Delta a_\mu$に適合させる。
• 1ループ計算によりミュオンの異常磁気モーメントへの寄与を計算し、$\Delta a_\mu \propto \lambda^2 m_\mu^2 / \Lambda^2$（$\Lambda \sim \text{質量分裂}$）の関係を示す。
• ボルツマン方程式と$s$-チャンネルの消失断面積を用いて、$X$と$\psi_\ell$を含む共消失過程による熱的暗黒物質のリリック密度を計算する。
• 直接検出（スピン独立散乱）、間接検出（3体消失からのガンマ線線）、加速器探索（圧縮スペクトルにおけるソフトレプトン）の制約を適用する。
• 1ループのベータ関数解析により、摂動的安定性とランダウ極のスケールを評価し、UV完備化の限界を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実スカラー暗黒物質と電荷を帯びたフェルミオン的媒介粒子を有するレプトンポータル暗黒物質モデルは、観測された$\Delta a_\mu$の過剰を説明可能であり、リリック密度および直接検出と整合しているか？
• RQ2 暗黒物質系における内部自由度数$n_f$の増加が、間接検出信号をどのように抑制し、ガンマ線線探索からの制約を緩和するか？
• RQ3 $\Delta a_\mu$、リリック密度、加速器制約を満たすパラメータとしての暗黒物質および電荷を帯びた媒介粒子の質量範囲は何か？
• RQ4 このモデルはどのエネルギースケールで摂動的でなくなり、理論のUV完備化に制限を及えるか？
• RQ5 高輝度LHC、レプトン衝突加速器、ガンマ線望遠鏡といった将来の実験のうち、このモデルを最も効果的にテストできるのはどれか？

主な発見

• モデルは、実スカラー暗黒物質粒子と電荷を帯びたフェルミオン的媒介粒子を用いて、観測された$\Delta a_\mu = 251(59) \times 10^{-11}$の過剰を説明可能であり、両者の質量は約200 GeV未塔に保たれる。
• 内部自由度数$n_f = 30$のとき、$\Delta a_\mu$に適合させるために必要な結合定数$\lambda$は$1/\sqrt{30} \approx 0.18$で減少し、間接検出信号は$n_f^2 = 900$倍抑制される。
• 熱的暗黒物質の共消失過程により、$n_f \approx 45$から$55$の範囲で観測されたリリック密度を再現可能であり、より大きな$n_f$はランダウ極の遅延に有利である。
• モデルは約2 TeVのスケールまで摂動的であり続けるが、結合定数に依存して約500 GeVから2 TeVの範囲でランダウ極が現れ、UV完備化の限界を示唆する。
• 将来の高輝度LHCにおける圧縮スペクトルのソフトレプトン探索、および$\sqrt{s} \gtrsim 500$ GeVのレプトン衝突加速器は、許容可能なパラメータ空間をほぼ完全に探査可能である。
• 3体消失からのガンマ線線による間接検出は$n_f^2$で抑制されるため、$n_f \gtrsim 10$ではFermi-LATの制約と整合する。