[논문 리뷰] Explaining The Muon $g-2$ Anomaly and New CDF II W-Boson Mass in the Framework of (Extra)Ordinary Gauge Mediation

Xiao Kang Du, Zhuang Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고에너지에서의 수반 메신저를 포함한 확장된 보통 게이지 매개(EOGM) 프레임워크를 제안하여, 뮤온의 $g-2$ 비일관성과 CDF II의 W 보손 질량 측정치를 동시에 설명한다. 약 $10^{14}$ GeV에서 $\Sigma_8$ 및 $\Sigma_3$ 메신저를 도입함으로써, 게이지 보손 질량 비율이 완화되고 $\Delta a_\mu$ 가 증가하여 $1\sigma$ 범위 내에서 $g-2$ 비일관성을 설명할 수 있다. 또한 큰 $|A_t|$ 를 가능하게 하여 125 GeV 힉스를 안정화시킨다. 그러나 모형은 CDF II의 W 보손 질량을 완전히 설명하지 못하며, 이는 경량의 윈오와 라플레톤이 필요하기 때문이다.

ABSTRACT

The SUSY contributions $Δa_μ$ to muon $g-2$ anomaly can not even reach $3σ$ in ordinary gauge mediated SUSY breaking (GMSB) scenarios because of the strong correlations between the colored sparticle masses and the uncolored EW sparticle masses. An interesting extension to GMSB is the (Extra)Ordinary Gauge Mediation (EOGM), which can relax the correlations between squarks and sleptons with non-universal choices for $N_{eff,3}$ and $N_{eff,2}$. We find that EOGM scenarios with $N_{eff,3}\ll N_{eff,2}$ can explain the muon $g-2$ anomaly within $3σ$ range, however can not explain the new W-boson mass by CDF II. We also propose to extend EOGM with additional adjoint $Σ_8$ and $Σ_3$ messengers at a high scale of order $1.0 imes 10^{14}$ GeV, which can shift the gauge coupling unification scale to the string scale. Such EOGM extension scenarios with adjoint messengers could spoil the unwanted gaugino mass ratios and give large SUSY contributions to $Δa_μ$ for $N_{eff,3}\ll N_{eff,2}$, which can explain the muon $g-2$ anomaly up to $1σ$. Besides, because of the large messenger scale of order $1.0 imes 10^{14}$ GeV, such scenarios will in general lead to large $|A_t|$ at the EW scale, which can accommodate the 125 GeV Higgs easily and possibly lead to smaller EWFT as well as BGFT. We discuss the possibility to explain the new CDF II W-boson mass in the GMSB-type framework. We find that SUSY contributions can marginally account for the new W-boson mass in the region with sleptons and wino both being light.

연구 동기 및 목표

• 스우퍼시미트리(양자역학적 대칭성)를 사용하여 지속적인 $4.2\sigma$ 수준의 뮤온 비정상 자석모멘트($g-2$) 불일치를 설명하기 위해.
• 표준모형 예측과 일치하지 않는 CDF II의 W 보손 질량 측정치($80,433.5 \pm 9.4$ MeV)와의 조화를 이루기 위해.
• 보통 게이지 매개(OGM) 프레임워크를 확장하여 게이지 보손 질량 비율을 완화하고 $\Delta a_\mu$ 를 증가시키며, 게이지 커플링 통합이 손상되지 않도록 하기 위해.
• 고에너지 수반 메신저를 가진 EOGM 모형이 125 GeV 힉스와 $g-2$ 비일관성을 동시에 수용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• GMSB 유형 모형이 경량의 카이아린과 라플레톤으로부터 큰 초대칭 보정을 통해 CDF II의 W 보손 질량을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고에너지 스케일인 $1.0 \times 10^{14}$ GeV에서 추가적인 수반 메신저($\Sigma_8$ 및 $\Sigma_3$)를 도입하여 게이지 매개 스펙트럼을 수정하기 위해.
• 비균일한 효과적 메신저 수 $N_{\text{eff},3} \ll N_{\text{eff},2}$ 를 사용하여 쿼크 스퀘어크 및 라플레톤 질량을 분리하고, 소프트 초대칭 깨짐 스펙트럼 내 상관관계를 감소시키기 위해.
• 카이아린, 네이처널린 및 라플레톤을 포함한 1-루프 도형을 사용하여 $\Delta a_\mu$ 와 $\Delta m_W$ 에 대한 초대칭 기여를 계산하기 위해.
• 게이지 커플링을 RGE를 사용하여 진화시키며, 고에너지 메신저 스케일로 인해 통합 스케일이 끈 스케일로 이동함을 보여주기 위해.
• 전자약 스케일에서의 $|A_t|$ 매개변수를 평가하며, 이는 고에너지 메신저 스케일로 인해 증가하여 125 GeV 힉스 질량을 안정화시킴.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 경량 윈오와 경량 라플레톤이 함께 존재하는 영역에서 $\Delta m_W$ 보정의 타당성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일한 $N_{\text{eff},3}$ 와 $N_{\text{eff},2}$ 를 가진 EOGM 프레임워크가 뮤온 $g-2$ 비일관성을 $3\sigma$ 범위 내에서 설명할 수 있는가?
• RQ2 약 $10^{14}$ GeV에서 수반 메신저를 포함함으로써 게이지 커플링 통합 스케일이 끈 스케일로 이동하고, 同시에 $\Delta a_\mu$ 가 향상되는가?
• RQ3 고에너지 메신저로 인해 증가한 $|A_t|$ 가 EOGM 모형에서 125 GeV 힉스 질량을 안정화시키는가?
• RQ4 수반 메신저를 가진 EOGM 모형이 CDF II의 W 보손 질량 측정치 $80,433.5 \pm 9.4$ MeV 를 설명할 수 있는가?
• RQ5 경량 윈오와 경량 라플레톤이 함께 존재하는 EOGM 매개변수 공간의 영역에서 $\Delta m_W$ 가 충분히 크게 증가하여 CDF II 데이터를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 비균일한 $N_{\text{eff},3} \ll N_{\text{eff},2}$ 를 가진 EOGM 시나리오는 뮤온 $g-2$ 비일관성을 $3\sigma$ 범위 내에서 설명할 수 있지만, CDF II의 W 보손 질량은 설명하지 못한다.
• 약 $10^{14}$ GeV에서 수반 메신저($\Sigma_8$ 및 $\Sigma_3$)를 추가함으로써 게이지 커플링 통합 스케일이 끈 스케일로 이동한다.
• 이러한 EOGM 확장은 게이지 보손 질량 비율이 완화되고 큰 $|A_t|$ 가 발생함으로써 $\Delta a_\mu$ 를 증가시켜 $1\sigma$ 범위 내에서 $g-2$ 비일관성을 설명할 수 있다.
• 큰 메신저 스케일은 전자약 스케일에서 큰 $|A_t|$ 를 초래하며, 이는 125 GeV 힉스 질량을 안정화시키고 전자약 미세조정을 감소시킬 수 있다.
• CDF II의 W 보손 질량은 수반 메신저를 가진 EOGM 모형에서 설명할 수 없으며, $\Delta m_W$ 기여가 너무 작기 때문이다.
• 경량 윈오와 경량 라플레톤이 함께 존재하는 영역에서만 GMSB 유형 모형이 CDF II의 W 보손 질량을 약간 설명할 수 있으며, 이 경우 $\Delta m_W$ 는 최대 0.06 GeV까지 도달한다.