[論文レビュー] New physics explanations of $a_\mu$ in light of the FNAL muon $g-2$ measurement

Peter Athron, Csaba Balázs+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 343被引用数 20

ひとこと要約

本稿は、新しいフェルミラブ $g-2$ 測定を用いて、ミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ の新しい物理的説明を調査している。著者らは、唯一、チャイラリティの増幅を示すモデル——特に特定の2ヒッグスダブルレットやレプトクォークモデル、あるいはMSSMにおけるビノに似たLSP——のみが、$a_\mu$ とダークマターの制約を同時に満たせることを特定した。一方、LHCおよびダークマターの制約により、多くの他のシナリオは除外された。

ABSTRACT

The Fermilab Muon $g-2$ experiment recently reported its first measurement of the anomalous magnetic moment $a_\mu^{ extrm{FNAL}}$, which is in full agreement with the previous BNL measurement and pushes the world average deviation $\Delta a_\mu^{2021}$ from the Standard Model to a significance of $4.2\sigma$. Here we provide an extensive survey of its impact on beyond the Standard Model physics. We use state-of-the-art calculations and a sophisticated set of tools to make predictions for $a_\mu$, dark matter and LHC searches in a wide range of simple models with up to three new fields, that represent some of the few ways that large $\Delta a_\mu$ can be explained. In addition for the particularly well motivated Minimal Supersymmetric Standard Model, we exhaustively cover the scenarios where large $\Delta a_\mu$ can be explained while simultaneously satisfying all relevant data from other experiments. Generally, the $\Delta a_\mu$ result can only be explained by rather small masses and/or large couplings and enhanced chirality flips, which can lead to conflicts with limits from LHC and dark matter experiments. Our results show that the new measurement excludes a large number of models and provides crucial constraints on others. Two-Higgs doublet and leptoquark models provide viable explanations of $a_\mu$ only in specific versions and in specific parameter ranges. Among all models with up to three fields, only models with chirality enhancements can accommodate $a_\mu$ and dark matter simultaneously. The MSSM can simultaneously explain $a_\mu$ and dark matter for Bino-like LSP in several coannihilation regions. Allowing under abundance of the dark matter relic density, the Higgsino- and particularly Wino-like LSP scenarios become promising explanations of the $a_\mu$ result.

研究の動機と目的

• 新しいフェルミラブ $g-2$ 測定が標準模型を越えた物理学に与える影響を評価すること。
• $a_\mu$ の $4.2\sigma$ のずれを説明できる、最大3つの新しい場を有する妥当なモデルを同定すること。
• $a_\mu$ の説明がダークマターの残存密度およびLHC探索の制約と整合するかを評価すること。
• 最小限の超対称標準模型（MSSM）を体系的に探索し、$a_\mu$ とダークマターを同時に説明できるシナリオを同定すること。
• $a_\mu$、ダークマター、およびLHCデータの組み合わせによる制約の下で、どのモデルが依然として妥当であるかを特定すること。

提案手法

• 最大3つの新しい場を有する広範な簡略化モデルにおける $a_\mu$ の最新の計算を用いる。
• パラメータ空間全体にわたり、$a_\mu$、ダークマターの残存密度、LHCのシグネチャを予測する高度なツールキットを適用する。
• LHC探索および直接的・間接的ダークマター検出実験からの厳密な制約を課す。
• 大きな $a_\mu$ 捕捉を実現するために、他の制約に違反しないように、チャイラリティの反転が強化されたモデルに焦点を当てる。
• Binoに似た、ヒッグスィノに似た、およびウィノに似たLSPが $a_\mu$ を説明できる共崩壊領域を特定するために、MSSMのパラメータ空間を徹底的にスキャンする。
• ダークマターの残存密度が不足気味または過剰気味である場合を両方考慮し、モデルの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大3つの新しい場を有するどの簡略化モデルが、標準模型からの $4.2\sigma$ のずれを説明できるか？
• RQ2 LHC探索およびダークマター実験からの制約は、$a_\mu$ の説明のための妥当なパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ3 チャイラリティ増幅相互作用が、他のデータと整合しつつ $a_\mu$ の説明を可能にする役割は何か？
• RQ4 MSSMにおいて、どのLSPタイプ（ビノ、ヒッグスィノ、ウィノ）が、$a_\mu$ と観測されたダークマターの残存密度を同時に説明できるか？
• RQ5 新しい $a_\mu$ 測定の下で、2ヒッグスダブルレットやレプトクォークモデルの特定のバージョンが依然として妥当であるか？

主な発見

• 大きな $a_\mu$ のずれを示すモデルは、通常、小さな新しい粒子の質量と/または大きな結合定数を必要とし、それらはLHCの制約と衝突しやすい。
• $a_\mu$ と観測されたダークマターの残存密度を同時に説明できるのは、チャイラリティの増幅を示すモデルに限られる。
• 2ヒッグスダブルレットやレプトクォークモデルは、特定のパラメータ範囲および特定のモデルバージョンでのみ $a_\mu$ を説明できる。
• MSSMにおいて、ビノに似たLSPは、いくつかの共崩壊領域で $a_\mu$ とダークマターを説明できる。
• ヒッグスィノおよび特にウィノに似たLSPのシナリオは、ダークマターの残存密度が不足気味であると仮定した場合に、有望な説明として浮上する。
• 新しい $a_\mu$ 測定により、以前に検討されたモデルの大部分が除外され、新しい物理の妥当なパラメータ空間が顕著に制限された。