[논문 리뷰] A Model of Vector-like Leptons for the Muon $g-2$ and the $W$ Boson Mass

Hyun Min Lee, Kimiko Yamashita|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 11.

Computational Physics and Python Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 U(1)' 대칭 확장으로, 벡터형 렙톤과 제2의 힉스 두중항을 도입하여 동시에 뮤온 g-2 이상현상과 CDF II의 W 보손 질량 초과 현상을 설명한다. 모형은 Z' 교환을 통한 보조적인 뮤온 질량과 g-2 보정을 생성하며, 제2의 힉스 두중항의 고차원 기여로 W 보손 질량이 수정되며, Z 보손 붕괴 폭과 힉스 결합에 대한 제약 조건을 모두 만족한다.

ABSTRACT

We consider a simple extension of the Standard Model (SM) with a vector-like lepton and a local $U(1)'$ symmetry, motivated by the recent experimental anomalies in the muon $g-2$ and the $W$ boson mass. The $U(1)'$ symmetry is spontaneously broken by the VEVs of the dark Higgs scalar and the second Higgs doublet, giving rise to the mixing between the muon and the vector-like lepton. As a result, we obtain the desirable corrections to the muon $g-2$ and the $W$ boson mass simultaneously, dominantly due to the $Z'$ gauge interactions for the vector-like lepton and the second Higgs doublet, respectively. We also discuss the consistency of the model with the $Z$ boson decay width, the Higgs couplings and the dilepton bounds.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 g-2에서 지속적인 4.2σ의 불일치와 CDF II에서 W 보손 질량 측정에서 7.0σ의 초과 현상을 해결한다.
• 동시에 두 이상현상을 하나의 유한한 양자장 이론 모형 안에서 수정할 수 있는 통합된 새로운 물리학 프레임워크를 제안한다.
• Z 보손 붕괴 폭, 힉스 결합, 이레프톤 탐색에 대한 엄격한 제약 조건과의 일치를 확보한다.
• 1 TeV 이상의 무거운 벡터형 렙톤과 비교적 가벼운 Z' 게이지 보손이 테스트 가능한 서명으로서의 가능성 탐색.
• Z 붕괴에서 렙톤 프레임워크 유니버설리티를 유지하면서도 W 보손 붕괴와 뮤온 g-2에서 비유니버설 효과를 允許한다.

제안 방법

• U(1)' 전하 -2를 가진 SU(2)L 단일체 벡터형 렙톤 E를 도입하고, 어두운 힉스 스칼라 φ 및 U(1)' 전하 +2를 가진 제2의 힉스 두중항 H'과 결합한다.
• 자기 대칭성과 전자약력 대칭성의 자동 비대칭을 진공 기대값(Vacuum Expectation Values, VEVs)을 통해 실현: ⟨φ⟩ = vφ, ⟨H⟩ = v1/√2, ⟨H'⟩ = v2/√2.
• 제2의 힉스 두중항 H'과 φ를 통해 뮤온과 벡터형 렙톤 간의 혼합을 통해 소형 세우-유사 뮤온 질량을 생성한다.
• 벡터형 렙톤과 H' 결합을 포함하는 Z' 교환 도형을 통해 뮤온 g-2 보정을 계산한다.
• 제2의 힉스 두중항 H'의 고차원 기여로 W 보손 질량에 대한 고차원 보정을 계산하며, 이는 W 보손 자기에너지의 수정을 포함한다.
• LHC에서의 Z 보손 붕괴 폭, 힉스 신호 강도, 이레프톤 제약 조건을 사용하여 모형을 제약 조건에 맞추기 위한 글로벌 피팅 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하나의 새로운 물리학 모형이 동시에 뮤온 g-2에서 4.2σ의 편차와 W 보손 질량에서 7.0σ의 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 벡터형 렙톤과 U(1)' 게이지 대칭의 도입이 g-2와 W 보손 질량에 모두 필요한 보정을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 정밀 전자약력 관측량, 예를 들어 Z 보손 붕괴 폭과 힉스 결합과의 일치성은 어느 정도 유지될 수 있는가?
• RQ4 이레프톤 탐색과 Z, W 붕괴에서의 렙톤 프레임워크 유니버설리티 제약 조건은 어떤 파rameter 공간 제약을 초래하는가?
• RQ5 무거운 벡터형 렙톤(M_E > 1 TeV)이 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서도 g-2와 M_W에 유의미한 보정을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 Z' 교환에 의해 주로 기여하는 뮤온 g-2 보정과 제2의 힉스 두중항의 고차원 기여로 인한 W 보손 질량 보정을 동시에 달성한다.
• 세우-유사 메커니즘을 통해 벡터형 렙톤과의 혼합을 통해 관측된 값과 일치하는 약 0.511 MeV 수준의 작은 뮤온 질량이 생성된다.
• Z 보손 붕괴 폭 제약 조건에 의해 렙톤 혼합 각도는 1σ에서 sinθL < 0.114로 제약되며, 렙톤 프레임워크 유니버설리티 제약 조건에 의해 sinθL < 0.030로 더 엄격히 제약된다.
• 이레프톤 제약 조건과도 일치하며, m_Z' = 1000 GeV, vφ = 200 GeV, sinβ = 0.2일 때 |Cu_L| = 3.1×10⁻⁸이다.
• M_E ≳ 1 TeV일 경우 W 보손 질량 보정은 1σ에서 ΔM_W ≲ 7.04 MeV로 제한되며, CDF II 측정치와 일치한다.
• 모형은 비교적 가벼운 Z' 게이지 보손과 무거운 벡터형 렙톤을 LHC 런 3 및 향후 실험에서의 잠재적 서명으로 예측한다.