[論文レビュー] New Physics Contributions to the Muon Anomalous Magnetic Moment

Farinaldo S. Queiroz, William Shepherd|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、新しい物理学の簡略化モデルからの1ループ寄与をミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ に分析し、解析的公式と Mathematica コードを提供してこれらの寄与を計算する。観測された $g-2$ の不一致をユニット結合で説明できる、0.3–2 TeV の中性スカラーおよび4 TeV の二重に電荷を帯びたスカラーといった有効な新しい粒子を同定し、異常が他の方法で解消されるものと仮定した場合のきびしい $1\sigma$ の質量下限を導出する。

ABSTRACT

We consider the contributions of individual new particles to the anomalous magnetic moment of the muon, utilizing the generic framework of simplified models. We also present analytic results for all possible one-loop contributions, allowing easy application of these results for more complete models which predict more than one particle capable of correcting the muon magnetic moment. Additionally, we provide a Mathematica code to allow the reader straightforwardly compute any 1-loop contribution. Furthermore, we derive bounds on each new particle considered, assuming either the absence of other significant contributions to $a_\mu$ or that the anomaly has been resolved by some other mechanism. The simplified models we consider are constructed without the requirement of $SU(2)_L$ invariance, but appropriate chiral coupling choices are also considered. In summary, we found the following particles capable of explaining the current discrepancy, assuming unit couplings: $2$~TeV ($0.3$~TeV) neutral scalar with pure scalar (chiral) couplings, $4$~TeV doubly charged scalar with pure pseudoscalar coupling, $0.3-1$~TeV neutral vector boson depending on what couplings are used (vector, axial, or mixed), $0.5-1$~TeV singly-charged vector boson depending on which couplings are chosen, and $3$~TeV doubly-charged vector-coupled bosons. We also derive the following $1\sigma$ lower bounds on new particle masses assuming unit couplings and that the experimental anomaly has been otherwise resolved: a doubly charged pseudo-scalar must be heavier than $7$~TeV, a neutral scalar than $3$~TeV, a vector-coupled new neutral boson $600$~GeV, an axial-coupled neutral boson $1.5$~TeV, a singly-charged vector-coupled $W^\prime$ $1$~TeV, a doubly-charged vector-coupled boson $5$~TeV, scalar leptoquarks $10$~TeV, and vector leptoquarks $10$~TeV.

研究の動機と目的

• 簡略化モデルを用いて、新しい粒子がミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ に及ぼすすべての1ループ寄与を体系的に評価すること。
• 新しい粒子を含むすべての1ループ図の解析的式を提供し、より複雑なモデルへの直接応用を可能にすること。
• $a_\mu$ 異常が他のメカニズムによって解消されるか、存在しないものと仮定した場合の、モデルに依存しない新しい粒子の質量下限を導出すること。
• スカラー、ベクトル、レプトクォーク状態のさまざまな結合（スカラー、擬スカラー、ベクトル、軸性、ヘリシティ）を持つ、さまざまな新しい粒子の有効性を検討し、現在の $g-2$ の不一致を説明できるかを検証すること。

提案手法

• $SU(2)_L$ 不変性を要しない一般的な簡略化モデルの枠組みを構築し、柔軟な新しい粒子の内容を可能にする。
• スカラー、ベクトル、レプトクォーク状態のさまざまな結合を伴う $a_\mu$ へのすべての1ループ寄与の解析的式を導出する。
• ユニット結合の仮定を用いて、観測された $a_\mu$ の不一致を説明できる新しい粒子の質量スケールを推定する。
• 1σ 統計的境界を適用して、異常が他の方法で解消されるものと仮定した場合の新しい粒子の質量の下限を導出する。
• 任意の1ループ寄与を効率的に計算できる Mathematica コードを開発し、現実のモデルへの応用を容易にする。
• フェルミオンのヘリシティと結合タイプの $a_\mu$ への影響を評価するために、ヘリシティ的および非ヘリシティ的結合構造を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニット結合で、どの簡略化モデル内の新しい粒子が現在のミューオンの異常磁気モーメントの不一致を説明できるか？
• RQ2 さまざまな結合タイプを持つ新しいスカラー、ベクトル、レプトクォーク状態からの $a_\mu$ へのすべての1ループ寄与の解析的式は何か？
• RQ3 $a_\mu$ 異常が他のメカニズムによって解消されるものと仮定した場合、新しい粒子の $1\sigma$ の質量下限は何か？
• RQ4 スカラー、擬スカラー、ベクトル、軸性、ヘリシティ的結合構造の違いが、$a_\mu$ 寄与の大きさと符号にどのように影響するか？
• RQ5 保守的な仮定のもとで、$g-2$ 異常を説明するために必要な新しい粒子の最小質量スケールは何か？

主な発見

• 純粋なスカラー結合を持つ中性スカラーは、質量が約2 TeVであれば $a_\mu$ の不一致を説明できるが、ヘリシティ的結合を持つスカラーでは0.3 TeVの質量で十分である。
• 純粋な擬スカラー結合を持つ二重に電荷を帯びたスカラーは、質量が約4 TeVであれば異常を説明できる。
• ベクトル、軸性、または混合結合を持つ中性ベクトルボソンは、0.3–1 TeVの質量範囲で異常を説明できる。
• ベクトル結合を持つ単一に電荷を帯びたベクトルボソンは、0.5–1 TeVの質量で異常を説明できる。
• ベクトル結合を持つ二重に電荷を帯びたベクトルボソンは、約3 TeVの質量が必要である。
• $1\sigma$ の新しい粒子の質量下限（異常が他のメカニズムによって解消されるものと仮定した場合）は以下の通りである：二重に電荷を帯びた擬スカラーで7 TeV、中性スカラーで3 TeV、ベクトル結合の中性ボソンで600 GeV、軸性結合の中性ボソンで1.5 TeV、単一に電荷を帯びたベクトル結合の $W'$ で1 TeV、二重に電荷を帯びたベクトル結合ボソンで5 TeV、スカラーおよびベクトルのレプトクォークで両方とも10 TeVである。