[論文レビュー] Probing the explanation of the muon (g-2) anomaly and thermal light dark matter with the semi-visible dark photon channel

NA64 Collaboration, P. Odagiu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、ミュオンの(g-2)異常と熱的暗黒物質の残存密度を同時に説明できる半可視的ダークフォトン（A′）の崩壊チャンネル、A′ → χ₁χ₂ および その後の χ₂ → χ₁e⁺e⁻ を提案する。NA64のデータを完全に再分析することで、mA′ < 0.39 GeV および ε ∈ [3×10⁻⁵, 2×10⁻²] のパラメータ領域について90%信頼水準で除外し、(g-2)異常と暗黒物質残存密度帯の重要な領域をカバーする。

ABSTRACT

We report the results of a search for a new vector boson ($A'$) decaying into two dark matter particles $\chi_1 \chi_2$ of different mass. The heavier $\chi_2$ particle subsequently decays to $\chi_1$ and $A' o e^- e^+$. For a sufficiently large mass splitting, this model can explain in terms of new physics the recently confirmed discrepancy observed in the muon anomalous magnetic moment at Fermilab. Remarkably, it also predicts the observed yield of thermal dark matter relic abundance. A detailed Monte-Carlo simulation was used to determine the signal yield and detection efficiency for this channel in the NA64 setup. The results were obtained re-analyzing the previous NA64 searches for an invisible decay $A' o \chi \overline{\chi}$ and axion-like or pseudo-scalar particles $a o \gamma \gamma$. With this method, we exclude a significant portion of the parameter space justifying the muon g-2 anomaly and being compatible with the observed dark matter relic density for $A'$ masses from 2$m_e$ up to 390 MeV and mixing parameter $\epsilon$ between $3 imes10^{-5}$ and $2 imes10^{-2}$.

研究の動機と目的

• ミュオンの(g-2)異常と観測された熱的暗黒物質残存密度を同時に説明できる、ダークフォトンA′の半可視的崩壊チャンネルを探索すること。
• U(1)Dダークセクター・モデルに、擬似ディラック型ダークマター状態と標準模型光子との運動的混合を含むパラメータ領域に対する実験的制限を強化すること。
• 『不可視モード』で収集されたNA64のデータを再分析し、A′ → χ₁χ₂(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)のシグナルを探索する。これは、可視的および不可視的崩壊モードの両方の特徴を併せ持つ。
• NA64実験のこのモデルに対する感度を評価し、最適化された検出器構成による今後の改善を予測すること。
• これまで未調査であった、(g-2)異常と観測された暗黒物質密度の両方に整合するパラメータ領域を特定・除外すること。

提案手法

• ダークヒッグス場hDによる自発的対称性の破れを伴うU(1)Dゲージ対称性を採用し、運動的混合εを介して標準模型光子と結合する質量を持つダークフォトンA′を導出する。
• U(1)Dに荷電した擬似ディラックフェルミオン場Ψを導入し、対称性の破れ後に、安定な軽いχ₁と、質量差∆ = mχ₂ − mχ₁を持つより重い不安定なχ₂が得られる。
• 有効ラグランジアン（式1）を用いて相互作用を記述し、χ₂とA′間の非対角的結合gDと、A′と標準模型電子間のεe結合を導入する。
• MadGraph5aMC@NLOのMadWidthモジュールを用いて3体崩壊幅Γ(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)を計算し、K ≈ 0.640 ± 0.004の補正係数を含む修正式（式2）を導出する。
• 検出器応答、再構成効率、すべての系誤差を含むNA64検出器設定における信号プロセスの完全なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 『不可視モード』で収集されたNA64の3回の実験データを再分析し、(mA′, ε)、(mA′, αD)、および(mχ₁, ∆/mχ₁)平面における90%信頼水準の除外限界を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半可視的崩壊チャンネルA′ → χ₁χ₂(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)は、ミュオンの(g-2)異常と観測された熱的暗黒物質残存密度を同時に説明できるか？
• RQ2 特にA′質量が0.39 GeV未満で、混合パrameter εが3×10⁻⁵〜2×10⁻²の範囲にある場合、このモデルのパラメータ領域に対する実験的制限は何か？
• RQ3 崩壊幅が∆⁵に比例するスケーリングが、短寿命のχ₂状態の検出可能性に与える影響は何か？今後の感度にどのような意味を持つのか？
• RQ4 NA64実験は、これまで未調査であった(g-2)異常と暗黒物質残存密度の両方のパラメータ領域を、どの程度まで除外できるか？
• RQ5 短寿命のχ₂崩壊を検出するために、コンact HCAL1と増加したEOT（電子標的あたりの入射数）を用いることで、感度にどの程度の向上が見込まれるか？

主な発見

• NA64実験は、A′質量が0.39 GeV未満の範囲で、ミュオンの(g-2)異常と熱的暗黒物質残存密度を同時に説明できるパラメータ領域の90%信頼水準で有意な領域を除外した。
• 以前に未発見の領域であったパラメータ領域を除外し、特にmA′ ≲ 0.39 GeVおよびε ∈ [3×10⁻⁵, 2×10⁻²] の範囲で、αD = 0.1および∆/mχ₁ = 0.4を仮定した場合、既存の制限を上回る改善が得られた。
• mA′ ≳ 0.3 GeVの領域では、(g-2)異常中央帯内でのモデルが除外された。これは、mA′ > 0.4 GeVまたは大きな質量差∆を持つモデルでなければ、依然として妥当である可能性があることを示唆している。
• ∆/mχ₁ ≳ 0.5 の領域では、崩壊幅に∆⁵のスケーリングが働くため、信号収量が指数関数的に抑制され、大質量差では検出が極めて困難になる。
• 5×10¹² EOTと50 cmのコンact HCAL1を想定した場合、感度は非常に大きな∆/mχ₁値を除き、ほとんど制限されない。これは、今後の実験で物性的に興味深い領域を完全にカバー可能であることを示唆している。
• 本研究は、NA64装置が半可視的崩壊に感度を持つことを示し、コンact検出器構成により、(g-2)異常と暗黒物質残存密度の両方の妥当なパラメータ領域を完全に探査可能であることを示している。