[논문 리뷰] Explaining muon $g-2$ data in the $μν$SSM

Essodjolo Kpatcha, Iñaki Lara외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 110인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $\mu\nu$SSM, 즉 $R$-포탄이 파괴되는 초대칭 모델을 제안하여 뉴트리노 물리학을 통해 자연스럽게 가벼운 왼쪽 스핀-1/2 뮤온-스넬로신과 윈오-유사 카린코스를 생성함으로써 오랫동안 지속된 뮤온 $g-2$의 불일치를 설명한다. 우도 기반의 매개변수 공간 스캔을 통해 뉴트리노, 힉스, 플레이버, LHC 제약 조건을 동시에 만족시키는 타당한 영역—특히 $m_{\tilde{\nu}_\mu} \sim 120-620$ GeV, $M_1 \sim 120-2200$ GeV, 및 $M_2 \sim 200-900$ GeV—을 규명하였으며, 이 영역들은 다중 레프톤 + 에너지 결손(_MET_) 탐색을 통해 향후 검증 가능하다.

ABSTRACT

We analyze the anomalous magnetic moment of the muon $g-2$ in the $μν$SSM. This $R$-parity violating model solves the $μ$ problem reproducing simultaneously neutrino data, only with the addition of right-handed neutrinos. In the framework of the $μν$SSM, light left muon-sneutrino and wino masses can be naturally obtained driven by neutrino physics. This produces an increase of the dominant chargino-sneutrino loop contribution to muon $g-2$, solving the gap between the theoretical computation and the experimental data. To analyze the parameter space, we sample the $μν$SSM using a likelihood data-driven method, paying special attention to reproduce the current experimental data on neutrino and Higgs physics, as well as flavor observables such as $B$ and $μ$ decays. We then apply the constraints from LHC searches for events with multi-leptons + MET on the viable regions found. They can probe these regions through chargino-chargino, chargino-neutralino and neutralino-neutralino pair production. We conclude that significant regions of the parameter space of the $μν$SSM can explain muon $g-2$ data.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 뮤온 비정상 자기모멘트($g-2$)의 지속적인 $3.5\sigma$ 불일치를 설명하기 위해.
• $\mu\nu$SSM, 즉 최소한의 $R$-포탄이 파괴되는 초대칭 모델이 필요한 가벼운 스파articles를 자연스럽게 생성하여 $g-2$ 기여를 증대시킬 수 있는지 탐색하기 위해.
• 뉴트리노 물리학, 힉스 보손 데이터, 플레이버 관측치(예: $B$ 및 $\mu$ 붕괴)와 LHC 탐색 제약 조건을 동시에 만족시키는 $\mu\nu$SSM의 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• LHC 다중 레프톤 + 미량 에너지($E_T$) 탐색을 통해 이러한 해법의 입자충돌기 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 뉴트리노 진동 데이터, 힉스 보손 측정치, $B$ 및 $\mu$ 붕괴와 같은 플레이버 관측치를 통합한 우도 기반의 데이터 주도적 스캔 방법을 사용하여 $\mu\nu$SSM 매개변수 공간을 샘플링한다.
• 모델의 뉴트리노 질량 생성은 게이지노 시즈 메커니즘을 통해 왼쪽 뮤온-스넬로신과 윈오-유사 카린코스 질량이 가볍게 자연스럽게 유도된다.
• SUSY 기여는 카린코스–스넬로신 루프 다이어그램을 통해 계산되며, 이는 가벼운 스넬로신 질량으로 인해 증폭된다.
• LHC 제약 조건은 다중 레프톤 + 에너지 결손 탐색 한계를 사용하여 카린코스–카린코스, 카린코스–중성자이온, 중성자이온–중성자이온 쌍 생성 채널에 집중한다.
• 계산 복잡도를 줄이기 위해 힉스 세트 매개변수와 대각선 뉴트리노 요크 상수를 고정하는 것으로 가정하지만, 일반화는 향후 작업으로 언급된다.
• 예측된 $a_\mu$를 실험적 값 $\Delta a_\mu = (26.8 \pm 6.3 \pm 4.3) \times 10^{-10}$과 비교하여 매개변수 스캔의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\mu\nu$SSM가 정밀조정 없이 자연스럽게 가벼운 왼쪽 뮤온-스넬로신과 카린코스를 생성하여 $g-2$ 기여를 증대시킬 수 있는가?
• RQ2 현재 뉴트리노, 힉스, 플레이버, LHC 제약 조건을 동시에 만족시키며 $g-2$ 이상현상을 설명할 수 있는 $\mu\nu$SSM 매개변수 영역은 어디인가?
• RQ3 LHC 다중 레프톤 + 에너지 결손 탐색은 $g-2$ 관련 시나리오의 타당한 매개변수 영역를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 $\mu\nu$SSM가 안정한 LSP가 필요 없이 $g-2$ 불일치를 설명할 수 있는가, 이는 어두운 물질의 긴장 문제를 피할 수 있는가?
• RQ5 스넬로신과 스모이온 질량을 변화시켰을 때 $g-2$ 기여와 입자충돌기 서명에는 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 $\Delta a_\mu$ 불일치를 설명할 수 있는 $\mu\nu$SSM 매개변수 영역의 상당한 부분—특히 $120 \lesssim m_{\tilde{\nu}_\mu} \lesssim 620$ GeV, $120 \lesssim M_1 \lesssim 2200$ GeV, 및 $200 \lesssim M_2 \lesssim 900$ GeV—이 존재한다.
• $g-2$ 기여의 증폭은 주로 카린코스–스넬로신 루프에 기인하며, 이는 $\mu\nu$SSM의 뉴트리노 물리학에 의해 자연스럽게 가벼운 왼쪽 뮤온-스넬로신 질량이 유도되기 때문이다.
• LHC 다중 레프톤 + 에너지 결손 탐색은 카린코스–카린코스, 카린코스–중성자이온, 중성자이온–중성자이온 쌍 생성 채널을 통해 이러한 타당한 영역를 탐색할 수 있으며, 향후 데이터에서 검증 가능하다.
• 모델은 뉴트리노 진동, 힉스 보손 성질, $B$ 및 $\mu$ 붕괴와 같은 플레이버 물리학 제약 조건과도 일관된다.
• 중간 정도의 오른쪽 스모이온 질량 변화에 대해 결과가 강건하며, 더 작은 값은 $g-2$ 기여를 더욱 증폭시킬 수 있다.
• 향후 약 $7\sigma$의 정밀도로 $g-2$를 측정할 경우, $\mu\nu$SSM는 왼쪽 뮤온-스넬로신과 전자기적 게이지노의 질량을 제약하는 데 사용될 수 있을 것이라 제안한다.