[論文レビュー] Probing the Dark Axion Portal with Muon Anomalous Magnetic Moment

Shao-Feng Ge, Xiao-Dong Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 73被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、フェルミラブで測定されたミュオンの異常磁気モーメントにおける4.2σの不一致を説明するため、次元5のオペレーターを介して媒介される、axion-like particle (ALP) とダークフォトンを含む暗黒axionポータルのシナリオを提案する。ALPとダークフォトンの貢献の干渉により、単独では異常を説明できないパラメータ空間が実現可能となり、標準模型をはるかに超える新たな有効なモデルが拡張される。

ABSTRACT

We propose a new scenario of using the dark axion portal at one-loop level to explain the recently observed muon anomalous magnetic moment by the Fermilab Muon g-2 experiment. Both axion/axion-like particle (ALP) and dark photon are involved in the same vertex with photon. Although ALP or dark photon alone cannot explain muon $g-2$, since the former provides only negative contribution while the latter has very much constrained parameter space, dark axion portal can save the situation and significantly extend the allowed parameter space. The observed muon anomalous magnetic moment provides a robust probe of the dark axion portal scenario.

研究の動機と目的

• 測定値と標準模型予測値との間の4.2σの不一致を解消すること。
• ALPとダークフォトンの両方が単独では異常を説明できない場合に、それらの組み合わせによるポータルが異常を説明可能かどうかを調査すること。
• ダークフォトンとALPの両方のセクターからの制約を考慮した上で、ALP質量とヤコビ型カップリングの有効パラメータ領域を特定すること。
• 暗黒axionポータルが、ALP単独またはダークフォトン単独のモデルよりも、有効パラメータ空間をどのように拡張するかを示すこと。

提案手法

• axion-like particle (ALP) が光子と質量を持つダークフォトンに、場強度の双対を介して次元5のオペレーターで結合するモデルを導入する。
• ダークaxionポータルを用いた1ループのミュオン異常磁気モーメントへの貢献を、ALPとダークフォトンの自己エネルギーおよび頂点補正を含めてモデル化する。
• 寄与の解析的表現を導出する：ALP寄与は $ a_{\nu}^{a} \propto (y^\nu_{a})^2 $、ダークフォトン寄与は $ a_{\nu}^{\nu'} \propto \epsilon^2 $ であり、対数的および逆質量平方依存性を示す。
• UVカットオフ $ \Lambda = 1 $ TeV を満たすように、ALP質量 $ m_a $、ヤコビ型カップリング $ y^{\nu}_{a} $、ダークフォトンパラメータ $ m_{\gamma'} $、$ \epsilon $ のパラメータ空間を数値スキャンする。
• 観測された $ \Delta a_{\mu} = (251 \pm 59) \times 10^{-11} $ を用いて、両寄与が建設的干渉を示すパラメータ領域を制約し、特定する。
• 干渉により、固定された $ m_a $ に対して $ y^{\nu}_{a} $ の2つの解が得られ、$ m_a $–$ y^{\nu}_{a} $ 平面上に円形の許容領域が形成されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALPとダークフォトンを含む暗黒axionポータルが、観測されたミュオン異常磁気モーメントの不一致を説明可能か？
• RQ2 なぜALP単独またはダークフォトン単独のモデルでは異常を説明できないのか？ポータル機構はどのようにこの問題を克服するか？
• RQ3 ALPとダークフォトンの両方の寄与を含めた場合、ALP質量とヤコビ型カップリングの有効パラメータ空間の構造はいかなるものか？
• RQ4 ALPとダークフォトンの寄与のデカップリング行動が、許容パラメータ領域に与える影響は何か？
• RQ5 2つの寄与の干渉は、単独のモデルよりも広い有効パラメータ空間を実現可能にするか？

主な発見

• ALPとダークフォトンの両方が単独では観測された不一致を説明できないが、暗黒axionポータルによりミュオン $ g-2 $ 異常の説明が可能となる。
• ダークフォトン質量 $ m_{\gamma'} = 100 $ GeV、混合角 $ \epsilon = 3 \times 10^{-3} $ の場合、観測された $ \Delta a_\mu $ を満たす2つの異なるヤコビ型カップリング $ y^\mu_a = 0.082 $ および $ y^\mu_a = 0.22 $ が得られ、$ m_a $–$ y^\mu_a $ 平面上に円形の許容領域が形成される。
• ALP寄与 $ a^a_\mu \propto (y^\mu_a)^2 $ は負であり、2次関数的依存性を示すが、ダークフォトン寄与 $ a^{\gamma'}_\mu \propto \epsilon^2 $ は正であり、$ m_{\gamma'}^{-2} $ で抑制されるため、建設的干渉が可能となる。
• ALP質量 $ m_a = 110 $ GeV、$ y^\mu_a = 0.082 $ または $ 0.22 $、$ m_{\gamma'} = 100 $ GeV の場合、モデルは $ \Delta a_\mu \approx 251 \times 10^{-11} $ を再現し、フェルミラブの1σ結果と整合する。
• モデルはデカップリング行動を示す：$ m_a $ や $ m_{\gamma'} $ が増加するにつれて寄与は減少するが、干渉のおかげで単一粒子モデルよりも大きな質量が許容される。
• 特に $ m_a \gtrsim 100 $ GeV および $ m_{\gamma'} \gtrsim 100 $ GeV の領域において、符号が逆の寄与の相互作用のおかげで、ALP単独またはダークフォトン単独のシナリオよりも顕著にパラメータ空間が拡張される。