[論文レビュー] Upper bound on the smuon mass from vacuum stability in the light of muon $g-2$ anomaly

So Chigusa, Takeo Moroi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 70被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、最小超対称標準模型（MSSM）における最軽いスムーオン質量の上限を、ミューオンの g−2 異常と電弱真空安定性を組み合わせることで導出する。1ループ計算による偽真空崩壊率に、ノーマライゼーションを固定する量子補正を含めたもので、観測されたミューオンの g−2 異常を説明しつつ真空安定性を保つためには、スムーオン質量は1.20–1.68 TeV未満でなければならない（95%信頼区間または99%信頼区間による）。特にヒッグスチノ質量パラメータµが大きい場合に顕著である。

ABSTRACT

We derive an upper bound on the smuon mass assuming that the muon $g-2$ anomaly is explained by the supersymmetric (SUSY) contribution. In the minimal SUSY standard model, the SUSY contribution to the muon $g-2$ is enhanced when the Higgsino mass parameter is large. Then, the smuon-smuon-Higgs trilinear coupling is enhanced, which may destabilize the electroweak vacuum. We calculate precisely the decay rate of the electroweak vacuum in such a case. We include one-loop effects which are crucial to determine the overall normalization of the decay rate. Requiring that the theoretical prediction of the muon anomalous magnetic moment is consistent with the observed value at the $1$ and $2\sigma$ levels (equal to the central value of the observed value), we found that the lightest smuon mass should be smaller than $1.38$ and $1.68\ { m TeV}$ ($1.20\ { m TeV}$) for $ an\beta=10$ (with $ an\beta$ being the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs bosons), respectively, and the bound is insensitive to the value of $ an\beta$.

研究の動機と目的

• 論文の目的は、観測されたミューオンの g−2 異常と整合するように、MSSMにおける最軽いスムーオン質量に対して堅牢な上限を導出することである。
• 大きなヒッグスチノ質量パラメータ（µ）は、SUSY寄与によるミューオンの g−2 を増幅させるが、増幅した三線形結合により電弱真空が不安定化する可能性があるという課題に対処することである。
• 特にビノ-スムーオンループが支配的である領域に焦点を当て、ミューオンの g−2 異常がSUSYによって説明可能であるパラメータ領域を対象とする。
• より高い精度とスケール不変性を実現するため、従来の木レベル推定値に代えて、1ループ量子補正を含めた真空崩壊率の改善を図ることである。
• 目的は、ミューオンの g−2 異常を説明するという要件と、長寿命な電弱真空を維持するという要件の両方を満たす条件下でのスムーオン質量の制約を求めるものである。

提案手法

• 分析は、低エネルギーにおけるMSSMをモデル化するための有効場理論（EFT）フレームワークを用い、関連するスカラーおよびゲージセクターに注目する。
• 最新の1ループ法を用いて偽真空崩壊率を計算し、バウンス解に結合する場からの量子補正を含める。
• 崩壊率は、1ループ補正により次元量の係数Aを固定し、一次対数レベルでスケール依存性をキャンセルする有効作用S_effを用いて計算される。
• µが大きいと強化されるスムーオン-スムーオン-ヒッグス三線形結合を考慮し、真空の準安定性に与える影響を評価する。
• 上限は、SUSY寄与によるミューオンの異常磁気モーメントa(SUSY)_µが、観測された乖離∆a_µと1σおよび2σレベルで一致するように要求することで導出される。
• 結果は、S_effが一定となる等高線として提示され、m_R/m_Lおよびtan βを変化させた場合の最軽いスムーオン質量の上限が導かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンの g−2 異常がSUSY寄与によって説明可能であると仮定した場合、電弱真空安定性を保つために、MSSMにおける最軽いスムーオン質量の最大許容値は何か？
• RQ2 偽真空崩壊率に対する1ループ量子補正は、木レベル推定値に比べて、スムーオン質量の上限推定の精度をどのように向上させるか？
• RQ3 スムーオン質量の上限は、右・左スムーオン質量比（m_R/m_L）およびヒッグス混合パラメータtan βにどのように依存するか？
• RQ4 µが大きいと、g−2 寄与と真空不安定性の両方を増幅させるが、その影響によりスムーオン質量の上限にどのような影響を与えるか？
• RQ5 SUSY寄与によるa_μの1σおよび2σ信頼区間要件は、最終的なスムーオン質量上限にどのように影響を与えるか？

主な発見

• tan β = 10の場合、ミューオンの g−2 異常を0σレベル（中央値）で説明するには、最軽いスムーオン質量は1.20 TeV未満でなければならない。
• 1σレベルでは、tan β = 10のとき上限は1.38 TeVに増加し、2σレベルでは1.68 TeVに達する。
• tan β = 50の場合、上限は0σで1.18 TeV、1σで1.37 TeV、2σで1.66 TeVとなり、tan βにほとんど依存しないことが判明する。
• 1ループ計算により、木レベルに比べて真空崩壊率の推定値が約O(10)のオーダーで低下し、質量上限に顕著な影響を与える。
• 右・左スムーオン質量が縮退している（m_R/m_L ≈ 1）ときに上限が最大となり、質量スプリングの重要性が示唆される。
• 結果から、µが大きくても、スムーオン質量が約1.7 TeVを超えると、真空安定性を損なうことなくミューオンの g−2 異常をMSSMで説明することは不可能であると示唆される。