[論文レビュー] Probing light dark matter with scalar mediator: muon $(g-2)$ deviation, the proton radius puzzle

Bin Zhu, Xuewen Liu|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、有効場理論フレームワークにおいて、ミュオンとダウンクォークに結合するMeVスケールのフレーバー特異的スカラーメディエーターを提案し、ミュオンのg-2の異常と陽子半径パズルを同時に説明する。モデルは、主に1MeV未満のダークマターへとメディエーターをルーティングすることにより、高強度実験の制約を回避し、追加のメジャーロンメディエーターが過剰生成とΔN_effの問題を解決する。

ABSTRACT

Flavor specific scalar bosons exist in various proposed extensions of the Standard Model and are motivated to couple to single generation of fermions through a global flavor symmetry breaking mechanism. We propose the MeV flavor specific scalar model in an effective field theory approach, where muon g-2 anomaly and proton radius puzzle can be explained remarkably through the coupling with muon and down-quark simultaneously. The framework is consistent with the null result of high intensity searches. In particular the E137 constraint is safely ignored by assuming mediator decaying into sub-MeV dark matter dominantly. The existence of sub-MeV dark matter results in over-production of dark matter and $\Delta N_{\mathrm{eff}}$ constraint, which can be solved by introducing additional Majoron mediator. We also investigate the searches for mediator and dark matter and their implications on viable parameter space such as supernova cooling on muon coupling, atomic physics constraint, direct detection for light boosted dark matter.

研究の動機と目的

• 1つの理論的枠組み内で長年のミュオン(g-2)の異常と陽子半径パズルを解決すること。
• グローバルフレーバー対称性の破れを通じて、ミュオンとダウンクォークに選択的に結合するフレーバー特異的スカラーモデルを構築すること。
• 特にE137の制約を含む高強度実験のnull結果と整合性を持つこと。
• ビッグバン核合成とCMB観測からのΔN_effの制約を満たすために、追加のメジャーロンメディエーターを用いてダークマターの過剰生成を抑制すること。
• 超新星冷却、原子物理学、および加速された軽量ダークマターの直接検出からの制約を用いて、妥当なパラメータ空間をマッピングすること。

提案手法

• ミュオンとダウンクォークに結合するフレーバー特異的スカラーメディエーターをモデル化するため、有効場理論のアプローチを採用する。
• 高強度実験からのE137制約を回避するため、スカラーメディエーターが主に1MeV未満のダークマターへと崩壊すると仮定する。
• ダークマターの過剰生成を抑制し、ビッグバン核合成とCMB観測からのΔN_effの制約を満たすために、メジャーロンメディエーターを導入する。
• 超新星冷却の制約を適用して、ミュオン結合の強さを制限する。
• 原子物理学の制約を適用して、メディエーターの電子および軽い原子への結合を評価する。
• モデルのパラメータ空間の文脈で、軽量で加速されたダークマターの直接検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのMeVスケールのスカラーメディエーターが、同時にミュオンg-2の異常と陽子半径パズルを解決できるか？
• RQ2 軽量スカラーメディエーターに対するE137の厳密な制約を満たしつつ、ミュオンおよびクォークへの結合を維持するにはどうすればよいか？
• RQ3 どのようにして1MeV未満のダークマターの過剰生成を防ぎ、ΔN_effの制約に違反しなくてよいか？
• RQ4 超新星冷却と原子物理学の制約は、ミュオン結合のパラメータ空間にどのように制限を加えるか？
• RQ5 このモデルにおいて、軽量で加速されたダークマターの直接検出にどのような意味があるか？

主な発見

• モデルは、ミュオンとダウンクォークに結合する1つのスカラーメディエーターによって、ミュオンg-2のずれと陽子半径パズルの両方をうまく説明する。
• メディエーターが主に1MeV未満のダークマターへと崩壊するため、高強度実験からのE137制約を安全に回避できる。
• メジャーロンメディエーターの導入により、宇宙論的過剰生成の問題が解決され、ΔN_effの制約も満たされる。
• 超新星冷却からの強い制約により、ミュオン結合の強さは1GeV未満のスケールに制限される。
• 原子物理学の制約、特に高精度分光測定からの制約により、軽いフェルミオンへのメディエーター結合のパラメータ空間がさらに制限される。
• パラメータ空間の一部では、軽量で加速されたダークマターの直接検出が依然として可能であり、特にメディエーターが軽量でダークマターが十分に弱い相互作用を持つ場合に顕著である。