[논문 리뷰] Effective field theory interpretation of lepton magnetic and electric dipole moments

Jason Aebischer, Wouter Dekens외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 146인용 수 74

한 줄 요약

이 논문은 SMEFT 및 LEFT 프레임워크에서 일중 효과 이론(EFT) 기법을 사용하여 렙톤의 자화모멘트와 전기 dipole moment에 대한 모델에 종속되지 않는 분석을 제공한다. 분석 결과, 관측된 4.2σ 이격도를 유도할 수 있는 것은 제한된 SMEFT 연산자 집합뿐이며, 특히 CeW 및 CeB dipole 연산자와 일부 반반성자 4 Fermion 연산자뿐이다. 이는 토프 쿼크 루프와 비교적 비초기 QCD 효과에 의해 크게 기여된다.

ABSTRACT

We perform a model-independent analysis of the magnetic and electric dipole moments of the muon and electron. We give expressions for the dipole moments in terms of operator coefficients of the low-energy effective field theory (LEFT) and the Standard Model effective field theory (SMEFT). We use one-loop renormalization group improved perturbation theory, including the one-loop matching from SMEFT onto LEFT, and one-loop lepton matrix elements of the effective-theory operators. Semileptonic four-fermion operators involving light quarks give sizable non-perturbative contributions to the dipole moments, which are included in our analysis. We find that only a very limited set of the SMEFT operators is able to generate the current deviation of the magnetic moment of the muon from its Standard Model expectation.

연구 동기 및 목표

• 효과 이론을 사용하여 관측된 4.2σ 이격도를 설명하는 뮤온 비정상 자화모멘트(g−2)의 모델에 종속되지 않는 해석을 제공한다.
• SMEFT 및 LEFT에서 어떤 고차원 연산자가 관측된 dipole moment 이격도를 유도할 수 있는지 규명한다.
• 일중 러닝, SMEFT에서 LEFT로의 매칭, 그리고 경량 쿼크 반반성자 연산자에서 기인하는 비초기 QCD 효과를 포함한다.
• 엄격한 전기 dipole moment 한계와 일치하기 위해 윌슨 계수의 허수 부분을 제약 조건에 둔다.

제안 방법

• SMEFT에서 LEFT로의 일중 매칭을 수행하고, 일중 비정상 차수를 사용하여 연산자를 진화시킨다.
• QCD 보정을 포함한 토프 및 채리온 쿼크 루프를 통한 렙톤 dipole moment 기여를 계산한다.
• 경량 쿼크 반반성자 연산자에서 기인하는 비초기 효과를 라티스 QCD에서 유도된 O(1) 매개변수를 사용하여 통합한다.
• SMEFT 및 LEFT 윌슨 계수를 기반으로 한 주요 공식을 사용하여, ∆aµ 및 ∆ae를 연산자 계수의 함수로 표현한다.
• 레프토쿼크 및 이중 힉스 두개의 두중자 모델 사례를 예시로 들어 분석한다.
• 뮤온 EDM 한계 및 µ→eγ 분해율 제약 조건을 적용하여 일부 새로운 물리 이론적 설명을 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 SMEFT 및 LEFT 연산자가 관측된 4.2σ 이격도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 일중 러닝, 매칭, 비초기 QCD 효과가 dipole moment 기여에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 전자 및 뮤온 EDM 한계는 SMEFT에서 윌슨 계수의 허수 부분에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 레프토쿼크 모델은 µ→eγ 및 EDM 제약 조건을 위반하지 않으면서도 뮤온과 전자의 g−2 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 EFT 내에서 ∆aµ ∼ 251×10−11를 생성하기 위해 필요한 특정 연산자 계수 조합은 무엇인가?

주요 결과

• 만약 새로운 물리가 전자약 스케일보다 높은 에너지에서 작용한다면, 관측된 ∆aµ를 생성할 수 있는 것은 오직 CeW 및 CeB dipole 연산자와 반반성자 4 Fermion 연산자 C(3)lequ2222 및 C(3)lequ2233뿐이다.
• 레프토쿼크 모델에서 토프 쿼크 루프의 카이랄적 강화 기여는 M1 ∼ 1–10 TeV 및 양자역학 결합 상수가 약 1에 가까운 경우에 이상현상을 설명할 수 있다.
• 만약 동일한 레프토쿼크가 ∆ae 및 ∆aµ를 모두 설명한다면, µ→eγ의 예측 분해율은 실험적 한계인 4.2×10−13을 초과하게 되어 이러한 모델은 배제된다.
• ∆ae 및 ∆aµ가 모두 토프 쿼크 루프를 통해 설명될 경우, µ→eγ의 최소 분해율은 1.5×10−4로 계산되며, 이는 실험적 한계를 초과한다.
• 반반성자 연산자에 기인하는 비초기 QCD 효과는 기여가 크며, 비초기적으로 결정된 O(1) 매개변수를 통해 반드시 포함되어야 한다.
• 전자 EDM 한계를 만족시키기 위해 윌슨 계수의 허수 부분은 실수 부분이 약 10−10 수준일 경우 최소한 ∼10^5 배 이상 억제되어야 한다.