[논문 리뷰] $(g-2)_{e,\,μ}$ and strongly interacting dark matter with collider implications

Anirban Biswas, Sarif Khan|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전자 및 뮤온의 비정상 자기모멘트가 표준모형 예측에서 벗어나는 것을 동시에 설명하기 위해 스칼라($\Phi'_2$ 또는 $\Phi'_4$)와 단일 벡터형 리만 페르미온 $\chi^\pm$를 추가한 확장된 $L_\mu - L_\tau$ 모델을 제안한다. 모델은 새로운 요카다 상호작용을 통해 $a_e$에 대해 1차 순환 기여를 생성하면서도 $a_\mu$에 대한 $Z_{\mu\tau}$-중재 기여를 유지한다. 이 모델은 은하계 잔여 밀도, 유니타리성, 자가상호작용 제약 조건을 만족하는 메브 범위(MeV)의 강하게 상호작용하는 어두운 물질 후보를 예측하며, $e^+e^-$ 충돌기에서 검출 가능한 신호를 제공한다.

ABSTRACT

The quest for new physics beyond the Standard Model is boosted by the recently observed deviation in the anomalous magnetic moments of muon and electron from their respective theoretical prediction. In the present work, we have proposed a suitable extension of the minimal $L_μ-L_τ$ model to address these two experimental results as the minimal model is unable to provide any realistic solution. In our model, a new Yukawa interaction involving first generation of leptons, a singlet vector like fermion ($χ^{\pm}$) and a scalar (either an SU(2)$_{L}$ doublet $Φ^\prime_2$ or a complex singlet $Φ^\prime_4$) provides the additional one loop contribution to $a_{e}$ only on top of the usual contribution coming from the $L_μ-L_τ$ gauge boson ($Z_{μτ}$) to both electron and muon. The judicious choice of $L_μ-L_τ$ charges to these new fields results in a strongly interacting scalar dark matter in $\mathcal{O}({ m MeV})$ range after taking into account the bounds from relic density, unitarity and self interaction. The freeze-out dynamics of dark matter is greatly influenced by $3 ightarrow2$ scatterings while the kinetic equilibrium with the SM bath is ensured by $2 ightarrow2$ scatterings with neutrinos where $Z_{μτ}$ plays a pivotal role. The detection of dark matter is possible directly through scatterings with nuclei mediated by the SM $Z$ bosons. Moreover, our proposed model can also be tested in the upcoming $e^+e^-$ colliders by searching opposite sign di-electron and missing energy signal i.e. $e^{+} e^{-} ightarrow χ^{+} χ^{-} ightarrow e^{+} e^{-} \cancel{E}_T$ at the final state.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하여 오랫동안 지속된 전자 및 뮤온의 비정상 자기모멘트 간 격차를 해결하기 위해.
• 동시에 둘 다를 설명하지 못하는 최소한의 $L_\mu - L_\tau$ 모델을 특정한 $L_\mu - L_\tau$ 전하를 가진 새로운 장들을 도입하여 확장하기 위해.
• 은하계 관측 조건인 잔여 밀도, 유니타리성, 자가상호작용 한계와 일치하는 강하게 상호작용하는 어두운 물질 후보를 구축하기 위해.
• $e^+e^-$ 충돌기에서의 검출 가능한 콘서트를 식별하기 위해, 특히 $e^+e^- \to \chi^+\chi^- \to e^+e^- \cancel{E}_T$ 과정을 통해.

제안 방법

• 첫 번째 세대 렙톤, 벡터형 리만 페르미온 $\chi^\pm$, 그리고 스칼라($\Phi'_2$ 또는 $\Phi'_4$)를 포함하는 새로운 요카다 상호작용을 도입하여 $a_e$에 대한 1차 순환 기여만 생성한다.
• 새로운 장들에 $L_\mu - L_\tau$ 전하를 할당하여 스칼라 어두운 물질 후보가 강하게 상호작용하도록 하며, 질량은 $\mathcal{O}(\text{MeV})$ 범위로 설정한다.
• $Z_{\mu\tau}$ 보손을 통해 중성자와의 $2\to2$ 산란을 통해 어두운 물질이 표준모형 배경과 운동적 평형 상태를 유지하도록 보장한다.
• 어두운 물질의 동결-아웃 과정에서 주로 $3\to2$ 진동을 사용하여, 어두운 물질의 잔여 밀도 역학을 크게 변화시킨다.
• 라그랑지안에서 혼합 각도와 요카다 상호작용 계수를 사용하여 새로운 스칼라가 전자 및 $\chi^\pm$에 대한 스칼라 및 편미분 스칼라 결합 $g^{s,p}_{\phi_i}$를 유도한다.
• BSM 기여 전체를 $\Delta a_e = \Delta a^{\text{scalar}}_e + \Delta a^{Z_{\mu\tau}}_e$로 계산하며, $\Delta a^{Z_{\mu\tau}}_e$는 $L_\mu - L_\tau$ 부문에서 유래한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 $L_\mu - L_\tau$ 모델이 관측된 $(g-2)_{\mu}$ 및 $(g-2)_e$ 이질현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 어떤 새로운 스칼라 및 페르미온 상태가 $a_e$에 대한 1차 순환 기여를 생성하면서도 $a_\mu$에 영향을 주지 않도록 해야 하는가?
• RQ3 이 확장 모델에서 강하게 상호작용하는 MeV 스케일의 어두운 물질 후보에 대해 천체물리적 및 충돌기 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 $3\to2$ 진동과 중성자와의 $2\to2$ 산란이 어두운 물질의 동결-아웃 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미래의 $e^+e^-$ 충돌기에서 이 모델의 검출 가능한 서명은 무엇이며, 특히 $e^+e^- \to \chi^+\chi^- \to e^+e^- \cancel{E}_T$ 채널에서 어떤가?

주요 결과

• 모델은 $Z_{\mu\tau}$ 보손을 통해 $a_\mu$의 $4.2\sigma$ 이질현상을 성공적으로 설명하며, 최소한의 $L_\mu - L_\tau$ 모델과 일관된다.
• 새로운 요카다 상호작용이 $\chi^\pm$, 첫 번째 세대 렙톤, 그리고 스칼라($\Phi'_2$ 또는 $\Phi'_4$)를 포함하여 $a_e$에 대한 1차 순환 기여를 제공함으로써 전자 이질현상을 해결한다.
• 어두운 물질 후보는 $\mathcal{O}(\text{MeV})$ 범위의 질량을 가지며 강하게 상호작용하는 스칼라이며, 잔여 밀도, 유니타리성, 자가상호작용 한계를 모두 충족한다.
• 어두운 물질의 동결-아웃은 주로 $3\to2$ 과정에 의해 지배되며, $Z_{\mu\tau}$를 통해 중성자와의 $2\to2$ 산란을 통해 운동적 평형 상태를 유지한다.
• 직접 검출은 $Z$ 보손 교환를 통해 핵자와의 산란을 통해 가능하며, 실현 가능한 검출 채널을 제공한다.
• 모델은 $e^+e^-$ 충돌기에서 특징적인 신호를 예측한다: $e^+e^- \to \chi^+\chi^- \to e^+e^- \cancel{E}_T$로, 핵심적으로 검증 가능한 서명을 제공한다.