[論文レビュー] The collider tests of a leptophilic scalar for the anomalous magnetic moments

Ning Chen, Bin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、10–1000 GeVの質量範囲にあり、leptonsへのYukawa結合がO(0.1)–O(1)であるCP対称性を破るレプチロフィリックなスカラー媒介者を提案する。このモデルは、ミュオンおよび電子の異常磁気モーメントの観測された異常を同時に説明する。将来的なコライダーで測定可能な信号を予測しており、HL-LHC、CEPC、およびミュオンコライダーは、OSSF最終状態およびインバリアント質量カットを用いて、初期段階でベンチマーク質量範囲を完全に探査可能である。

ABSTRACT

We study the anomalous muon and electron magnetic moments by introducing a scalar with CP-violating Yukawa couplings to the lepton sector. By fitting these two magnetic moments with the recent experimental measurements, we find that such a leptophilic scalar in the mass range of $\mathcal{O}(10)- \mathcal{O}(1000 )\, m GeV$ can be a possible source for the current experimental deviations from the Standard Model (SM) predictions, with $\mathcal{O}(0.1) - \mathcal{O}(1)$ Yukawa couplings. The current electron and muon EDM constraints to the general CP-violating Yukawa couplings are discussed. We propose to search such a leptophilic scalar mediated at the future high-luminosity LHC (HL-LHC) runs, as well as the high-energy lepton colliders, including the CEPC and the muon collider. Our results show that the leptophilic scalar in the mass range of $\mathcal{O}(10)- \mathcal{O}(1000 )\, m GeV$ can be fully probed by the future experimental searches at the HL-LHC and the lepton colliders at their early stages.

研究の動機と目的

• 長年のミュオン異常磁気モーメント（g-2）の乖離と、最近観測された電子g-2異常を解消すること。
• フラバー変換効果を回避するため、レプトンに強く結合するCP対称性を破るスカラーを含む最小限のBSMモデルを構築すること。
• 現在の電子およびミュオン電気双極子モーメント（EDM）制約下でのそのスカラーの妥当性を評価すること。
• 将来的な高インテグレーテッド光度および高エネルギーレプトンコライダーにおけるスカラーの直接検出のための現実的なコライダー探索戦略を提案すること。
• 提案されたモデルの全質量範囲にわたる、HL-LHC、CEPC、およびミュオンコライダーの発見感度を評価すること。

提案手法

• 3つの電荷レプトン世代にCP対称性を破るYukawa結合を持つ複素スカラー単体を導入する。
• Δaμ = (274 ± 73)×10⁻¹¹およびΔae = (−87 ± 36)×10⁻¹⁴の実験的データを全体的にフィットし、Yukawa結合およびスカラー質量を制約する。
• 最新のACMEおよびBNLの限界を用いて、電子およびミュオンEDM測定からの制約を組み込む。
• HL-LHCおよび将来的なレプトンコライダーにおける4e、4μ、および2e2μ最終状態の信号および標準模型背景イベントをシミュレートする。
• 運動量カットを適用：インバリアント質量窓 |Mℓℓ − mϕ| < 0.1mϕ、μμ最終状態のためのラピディティアシンメトリー |η(μ₁⁻)| > 0および|η(μ₁⁺)| < 0、およびee最終状態のための横運動量カットpT(e±) < 900 GeV。
• 各コライダーにおける信号対背景の有意性（S/√B）および5σ発見のための必要十分統合光度を用いて、発見感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのCP対称性を破るレプチロフィリックなスカラーが、ミュオンおよび電子の異常磁気モーメント異常を同時に説明できるか？
• RQ2 現在の電子およびミュオンEDM測定から、どのようなパラメータ空間が制約を受けるか？
• RQ3 このスカラー・モデルは、HL-LHC、CEPC、および将来的なミュオンコライダーでどの程度アクセス可能か？
• RQ4 各コライダーにおける発見可能性を最大化するための最適な最終状態および運動量カットは何か？
• RQ5 特に高質量スカラーに対して、将来的なコライダー運用の初期段階でこのモデルが探査可能か？

主な発見

• 質量10–1000 GeVのレプチロフィリックなスカラーは、Yukawa結合が0.1–1.0のオーダーである場合、ミュオンおよび電子g-2測定の観測された偏差を同時に説明できる。
• 3000 fb⁻¹の光度を持つHL-LHCは、4e最終状態を用いて10–200 GeVのスカラーを探査可能であり、Zピーク領域を除いて除外可能である。
• 240 GeVで運転するCEPCは、統合光度が約10⁻³～10⁻¹ fb⁻¹の範囲で、4e、4μ、2e2μの3つの最終状態をすべて探査可能であり、Zピーク領域も含む。
• 高質量スカラー（200–1000 GeV）に対しては、3 TeVで運転するミュオンコライダーが初期段階で統合光度10⁻⁴～1 fb⁻¹程度でベンチマークモデルを完全に探査可能である。
• 統合光度10 fb⁻¹のミュオンコライダーにおいて、mϕ = 900 GeVの4μ最終状態では、最適な運動量カットを適用した後、信号の有意性がS/√B ≈ 98.24に達する。
• 背景抑制は効果的である：mϕ = 600 GeVの4μ最終状態では、カット後、背景が4.59から0.018件に減少するが、信号は高いままである。