[論文レビュー] The CDF W-mass, muon g-2, and dark matter in a $U(1)_{L_μ-L_τ}$ model with vector-like leptons

Quan Zhou, Xiao-Fang Han|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、CDFの$W$ボソン質量の異常、ミュオン$g-2$の乖離、そして実現可能なダークマターを同時に説明できる、ベクトルレプトンを伴う$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ゲージモデルを提案する。$W$質量と$g-2$のデータに適合させるために、ベクトルレプトン$E_1$と$E_2$の間で大きな質量スプリング、および非対称な混合パラメータ$s_L$と$s_R$が必要であることが示されている。一方、ダークマターの残存密度は、最も軽いベクトルレプトンがダークマター質量に近い場合の$Z'$または$S$の対生成、または共凝縮反応によって達成される。

ABSTRACT

We study the CDF $W$-mass, muon $g-2$, and dark matter observables in a local $U(1)_{L_μ-L_τ}$ model in which the new particles include three vector-like leptons ($E_1,~ E_2,~ N$), a new gauge boson $Z'$, a scalar $S$ (breaking $U(1)_{L_μ-L_τ}$), a scalar dark matter $X_I$ and its partner $X_R$. We find that the CDF $W$-mass disfavors $m_{E_1}= m_{E_2}={m_N}$ or $s_L=s_R=0$ where $s_{L(R)}$ is mixing parameter of left (right)-handed fields of vector-like leptons. A large mass splitting between $E_1$ and $E_2$ is favored when the differences between $s_L$ and $s_R$ becomes small. The muon $g-2$ anomaly can be simultaneously explained for appropriate difference between $s_L$ $(m_{E_1})$ and $s_R$ $(m_{E_2})$, and some regions are excluded by the diphoton signal data of the 125 GeV Higgs. Combined with the CDF $W$-mass, muon $g-2$ anomaly and other relevant constraints, the correct dark matter relic density is mainly obtained in two different scenarios: (i) $X_IX_I o Z'Z',~ SS$ for $m_{Z'}(m_S)

研究の動機と目的

• 標準模型と比較して7σのずれを示すCDFの$W$ボソン質量測定結果を説明すること。
• 標準模型を超える新しい物理を用いて、ミュオンの異常磁気モーメント（$g-2$）における4.2σの異常を説明すること。
• 同じモデル枠組み内で正しい残存密度を持つ実現可能なダークマター候補$X_I$を実現すること。
• LHCによる$2\ell + E_T^{\text{miss}}$イベントの直接探索とヒッグス二光子信号を用いて、モデルを制約すること。
• $W$質量、$g-2$、およびダークマターの3つの異常を同時に満たすパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• 新しい$Z'$ゲージボソン、対称性の自発的破れに寄与するスカラー$S$、ダークマターに寄与する複素スカラー$X$を伴う局所的$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ゲージ対称性を導入する。
• スケールレプトン状態として、シングレット$N$、ダブルット$E$、およびプライム状態$E'$を追加し、チャイRAL混合パラメータ$s_L$と$s_R$を導入する。
• ベクトルレプトンからのループ補正により、オブリーク$S$、$T$、$U$パラメータを計算し、CDFの$W$質量シフトを説明する。
• $Z'$とスカラー$X$の交換によるミュオン$g-2$への寄与を評価し、$s_L$と$s_R$の混合に依存する。
• $E_1$、$E_2$、$N$、$X_R$を含む過程による共凝縮反応を含め、$X_I X_I \to Z'Z'$、$SS$、および共凝縮反応によるダークマター残存密度を計算する。
• LHCによる$2\ell + E_T^{\text{miss}}$イベントの直接探索と125 GeVヒッグスの二光子信号を用いて、特定のパラメータ領域を除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトルレプトンを伴う$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$モデルは、CDFの$W$質量異常とミュオン$g-2$の乖離を同時に説明できるか？
• RQ2 両方の$W$質量と$g-2$データに適合させるために、ベクトルレプトン系における必要な質量スプリングと混合パラメータ（$s_L$、$s_R$）は何か？
• RQ3 組み合わせた制約のもとで、正しい残存密度を生じるダークマターの消失または共凝縮メカニズムは何か？
• RQ4 LHCによる$2\ell + E_T^{\text{miss}}$イベントの直接探索は、ベクトルレプトンとダークマター候補の質量にどのような制約を課えるか？
• RQ5 125 GeVヒッグスの二光子信号や他の実験的制約によって、どのパラメータ領域が除外されるか？

主な発見

• CDFの$W$質量測定結果は、$E_1$、$E_2$、$N$のデゲネレート質量、または混合パラメータ$s_L = s_R = 0$の状況を不適切なものとする。
• 差が小さい$s_L$と$s_R$の差が生じる場合、$E_1$と$E_2$の間で大きな質量スプリングが好ましい。
• 適切な$s_L$（$m_{E_1}$に関連）と$s_R$（$m_{E_2}$に関連）の差により、ミュオン$g-2$の異常は説明可能であるが、$Z'$結合定数が大きい領域はヒッグス二光子データによって除外される。
• 正しいダークマター残存密度は主に2つの状況で達成される：(1) $m_{Z'}$または$m_S < m_{X_I}$の場合の$X_I X_I \to Z'Z'$または$SS$反応、(2) $\min(m_{E_1}, m_{E_2}, m_N, m_{X_R})$が$m_{X_I}$とほぼ degenerate である共凝縮反応。
• LHCによる直接探索は強い制約を課す：$\min(m_{E_1}, m_{E_2}) - m_{X_I} > 300$ GeVの場合、最も軽いベクトルレプトンの質量は500 GeVを超える必要がある。
• 共凝縮状態に依存する場合、$\min(m_{E_1}, m_{E_2}) - m_{X_I} < 60$ GeVまたは$> 400$ GeVであれば、ダークマター質量$m_{X_I}$は100 GeVまで低下しうる。