[論文レビュー] The muon (g - 2) anomaly and a new light vector boson

Nikolai Krasnikov|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、標準模型から3.6σのずれとして観測されたミュー粒子の(g-2)異常が、ミューオンに弱く結合する新しい軽いベクトルボソン（Z′）によって説明できるかもしれないと提案している。このモデルでは、無限個の軽いベクトルボソンが集まって異常を再現するが、$e^+e^-$共鳴探索や欠落エネルギー実験からの実験的制約を回避する。

ABSTRACT

This mini review aims to outline the main experimental and theoretical results related with the search for a new light vector boson proposed as a solution of the muon $g-2$ anomaly. Additionally, I consider a model with infinite number of light vector bosons which can explain the anomaly, while still remaining consistent with current experimental bounds.

研究の動機と目的

• 3.6σのミュー粒子の異常磁気モーメント（g-2）のずれを、新しい軽いベクトルボソンを用いて説明すること。
• 固定標的に基づく実験および加速器実験からの制約によって、単一のZ′モデルが制限されることに起因する課題に対処すること。
• 狭い共鳴状態を生成しないように、無限個の軽いベクトルボソンが集まってミュー粒子のg-2に寄与するモデルを提案すること。
• このようなモデルが現在の実験的限界、特にNA64およびBaBarの結果と整合することを示すこと。
• 無限個のベクトル場スペクトルが、運動エネルギー混合を介してコンパクト化された余剰次元から生じる可能性を検討すること。

提案手法

• 1ループの量子補正を用いて、Z′ボソンがミュー粒子の異常磁気モーメントに与える寄与を計算する。関数 $ F(x) = \int_0^1 dz \frac{2z(1-z)^2}{(1-z)^2 + x^2 z} $ を用い、$ x = m_{Z'}/m_\mu $ とする。
• 無限個のベクトル場 $ Z'_{\mu n} $ を含むモデルを導入し、効果的場 $ Z'_{\mu,\text{eff}} = \sum_n c_n Z'_{\mu n} $ に統合することで、狭い共鳴特徴を回避する。
• 標準模型の光子と効果的Z′場との間の運動エネルギー混合を課す：$ \mathcal{L}_{\text{mix}} = \frac{\epsilon}{2} F^{\mu\nu} Z'_{\mu\nu} $。これにより電磁流への結合が可能になる。
• 合計での $ \delta a_\mu $ への寄与を $ \delta a = \sum_n |c_n^2| \frac{\alpha'}{2\pi} F(m_{Z'_n}/m_\mu) $ として導出。ここで $ \alpha' = (g')^2/(4\pi) $ である。
• 5次元のコンパクト化を用いて、1つの5次元ゲージ場から無限個のベクトル場の塔を実現する。
• NA64（見えない$ Z' $崩壊）、BaBar（$ e^+e^- \to \gamma Z' $からの見えない$ Z' $）、Borexino（ニュートリノ-電子散乱）からの制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3.6σのミュー粒子の(g-2)異常を、新しい軽いベクトルボソン（Z′）が説明できるか？
• RQ2 電磁流への結合を持つ単一のZ′モデルが、現在の実験的限界下でなぜ異常を説明できないのか？
• RQ3 無限個の軽いベクトルボソンを含むモデルが、$ e^+e^- $の不変質量スペクトルにおける共鳴探索を避けながらミュー粒子のg-2異常を再現できるか？
• RQ4 運動エネルギー混合が、直接検出されないままZ′が標準模型の電磁流に結合する役割を果たす仕組みは何か？
• RQ5 NA64やBaBarのような固定標的実験からの制約を満たす、無限個のベクトル場モデルは現実的か？

主な発見

• $ m_{Z'} \ll m_\mu $ の場合、ミュー粒子のg-2異常を説明するには $ \alpha' \approx (1.8 \pm 0.5) \times 10^{-8} $ が必要である。
• $ m_{Z'} \gg m_\mu $ の場合、必要な結合定数は $ \alpha' \propto m_{Z'}^2/m_\mu^2 $ に比例し、$ m_{Z'} \sim 1~\text{GeV} $ では $ \alpha' \approx 2.7 \times 10^{-8} $ に達する。
• 無限個のベクトルボソンを含むモデルでは、信号が多数の広い共鳴状態に分散されるため、$ e^+e^- $共鳴探索で検出されない。
• NA64実験では、$ m_{Z'} \leq 100~\text{MeV} $ の範囲で見えない$ Z' $崩壊が除外されるが、$ m_{Z'} \approx m_\pi $ の近傍にわずかな領域が残り、生存可能である。
• BaBarのデータ（$ e^+e^- \to \gamma Z' $、$ Z' \to \text{見えない} $）により、$ m_{Z'} \approx m_\pi $ の領域は完全に除外され、Z′-光子混合モデルの最後の穴が埋まった。
• コンパクト化された余剰次元から生じる無限個のベクトル場モデルは、現在の限界を回避しつつ観測された $ \delta a_\mu $ を再現する整合的な枠組みを提供する。