[논문 리뷰] A simple model for explaining muon-related anomalies and dark matter

Cheng-Wei Chiang, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 최소한의 확장을 제안하며, 뮤온에 특화된 전역 U(1)μ 대칭과 ZN 대칭을 도입하여 동시에 뮤온 비례 자기모멘트와 관측된 암흑물질 잔여 밀도를 설명한다. 모형은 이국적인 벡터형 렙톤 이중체, 오른쪽으로 정렬된 메조나 중성미온 세 개, 그리고 스칼라 암흑물질 후보(실수 또는 복소수)를 도입하여 (g−2)μ 이상현상과 B 메손 붕괴 이상현상 모두를 성공적으로 수용하면서 렙톤 쿼크-비대칭 및 메손 혼합 제약 조건을 만족시킨다.

ABSTRACT

We propose a model to explain several muon-related experimental anomalies and the abundance of dark matter. We introduce an vector-like exotic lepton that form an iso-doublet and three right-handed Majorana fermions as an iso-singlet. A real/complex scalar field is added as a dark matter candidate. We impose a global $U(1)_ μ$ symmetry under which fields associated with the SM muon are charged. To stabilize the dark matter, we impose a $Z_2$ (or $Z_3$) symmetry under which the exotic lepton doublet and the real (or complex) scalar field are charged. We find that the model can simultaneously explain the muon anomalous magnetic dipole moment and the dark matter relic density in no conflict with any lepton flavor-violating/conserving observables, with some details depending upon whether the scalar field is real or complex. Besides, we extend the framework to the quark sector in a way similar to the lepton sector, and find that the recent anomalies associated with the $b o s μ^+ μ^-$ transition can also be accommodated while satisfying constraints such as the $B_{s(d)} o μ^+ μ^-$ decays and neutral meson mixings.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 비례 자기모멘트 (g−2)μ에서 오랫동안 지속된 3.3σ 수준의 불일치를 해결하기 위해.
• 관측된 잔여 밀도와 일치하는 타당한 약한 상호작용을 하는 거대 입자(WIMP) 어둠 물질 후보를 제공하기 위해.
• B→K*μ+μ− 붕괴에서 최근 관측된 이상현상, 특히 렙톤 풍미 비일관성의 신호를 보여주는 R_K 및 R_K* 편차를 설명하기 위해.
• Z→μ+μ− 붕괴, B_s→μ+μ− 붕괴, 중성 메손 혼합에서의 엄격한 제약 조건과의 호환성을 확보하기 위해.
• 단일 대칭 구조를 통해 여러 뮤온 관련 이상현상을 통합적으로 설명하는 최소한의 재규격화 가능한 프레임워크를 구축하기 위해.

제안 방법

• 뮤온 세그먼트만이 전역 U(1)μ 대칭에 따라 변환되는 추가적인 장으로서, 벡터형 이론적 렙톤 이중체와 오른쪽으로 정렬된 메조나 페르미온 세 개를 도입한다.
• 안정성을 보장하기 위해 Z2 또는 Z3 대칭에 따라 전하를 지닌 실수 또는 복소 스칼라 장을 어둠 물질 후보로 제안한다.
• U(1)μ×ZN 대칭을 도입하여 원치 않는 풍미 변화 과정을 억제하고 뮤온에 특화된 상호작용을 매개한다.
• 이론적 렙톤 이중체와 스칼라 싱เก터를 사용하여 뮤온 비례 자기모멘트의 1-루프 기여를 계산한다.
• 무거운 쿼크 및 스칼라 상태를 통합하여 b→sμ+μ− 전이에 대한 효과적 약한 해밀토니안을 유도하고, 윌슨 계수로 매칭한다.
• 실험 데이터, 즉 (g−2)μ, R_K, R_K*, B→K*μ+μ−의 각도 분포, LFV 및 풍미 혼합 제약 조건을 포함한 전반적 피팅을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 모형이 동시에 뮤온 (g−2)μ 이상현상과 관측된 어둠 물질 잔여 밀도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 U(1)μ 대칭에 의해 매개되는 뮤온에 특화된 상호작용이 뮤온 자기모멘트와 어둠 물질 철학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 B_s→μ+μ− 또는 중성 메손 혼합에서의 제약 조건을 위반하지 않으면서도, 모형이 B→K*ℓ+ℓ− 붕괴에서 R_K 및 R_K* 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 스칼라 어둠 물질의 성격(실수 대비 복소수)이 타당한 매개변수 공간과 검증 가능성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 Z→μ+μ− 붕괴 및 LHC에서의 이색 쿼크 및 렙톤 탐색 제약 조건이 허용 가능한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 모형은 뮤온에 특화된 U(1)μ 대칭과 이론적 렙톤 이중체를 사용하여 3.3σ 불일치를 성공적으로 설명한다.
• 실수 스칼라 어둠 물질의 경우 허용 질량 범위는 90–180 GeV이며, |fμ|는 2.2–3.3 사이, 이론적 뮤온 질량 M_μ′는 160–340 GeV 사이이다.
• 복소 스칼라 어둠 물질의 경우 허용 질량 범위는 7–14 GeV이며, |fμ|는 1.2–2.3 사이, M_μ′는 130–240 GeV 사이이다.
• Z→μ+μ− 붕괴 분해율 제약 조건이 매개변수 공간을 특히 실수 스칼라 케이스에서 크게 제한한다.
• 모형이 B-메손 이상현상(R_K 및 R_K*)을 설명할 수 있는 것은 복소 스칼라일 경우에만 가능하며, 간섭의 파괴적 성격으로 인해 실수 스칼라 시나리오는 배제된다.
• 질량 약 10 GeV의 복소 스칼라 어둠 물질은 검증 가능한 서명을 가지며, 질량 범위와 결합 상수가 다른 실수 스칼라 경우와 명확히 구별된다.