[논문 리뷰] $(g-2)_\mu$ in the 2HDM and slightly beyond -- an updated view

P. M. Ferreira, B. L. Gonçalves외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Computational Physics and Python Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 히iggs 듀블렛 모형(2HDM)의 맥락에서 뮤온의 비정상 자기모멘트 $(g-2)_\mu$를 재검토하며, 특히 유형-X와 뮤온 특화 2HDM에 벡터형-레프톤(비틀림 없는)을 포함한 경우를 중심으로 다룬다. 비틀림 없는 뮤온과의 혼합이 없는 벡터형-레프톤(VLLs)은 뮤온 특화(유형-X) 모형에서 특히 $(g-2)_\mu$ 이상현상에 대한 타당한 매개변수 공간을 크게 확장하며, 전자기 정밀도 및 힉스 붕괴 제약 조건과도 일관성을 유지한다. VLL의 포함은 더 가벼운 편성 힉스 보손과 더 큰 $\tan\beta$를 가능하게 하여 실험적 이상현상에 4.2$\sigma$ 수준에서 보다 잘 맞추게 한다.

ABSTRACT

The recent measurement of the muon $g - 2$ anomaly continues to defy a Standard Model explanation, but can be accommodated within the framework of two Higgs doublet models. If one further includes extra fermion content in the form of a generation of vector like leptons, the allowed parameter range that explains the anomaly is even further extended, and thorny issues of perturbativity and clashes with $B$-decay constraints avoided. We will show how the muon magnetic moment anomaly can be fit within these models, under the assumption that the vector-like leptons do not mix with the muon. We update previous analyses and include all theoretical and experimental constraints, including searches for extra scalars. It is shown that the inclusion of vector-like fermions allows the lepton-specific and muon-specific models to perform much better in fitting the muon's $g - 2$. These fits do require the Yukawa coupling between the Higgs and the vector-like leptons to be large, causing potential problems with perturbativity and unitarity, and thus models in which the vector-like leptons mix with the muon may be preferred.

연구 동기 및 목표

• 최근 페르미랩 측정 결과를 바탕으로, 특히 유형-X와 뮤온 특화 2HDM가 관측된 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명할 수 있는 능력을 재평가하는 것.
• 비틀림 없는 뮤온과의 혼합이 없는 벡터형-레프톤(VLLs)의 포함이 2HDM의 매개변수 공간과 이상현상 설명 가능성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 전자기 정밀도, 힉스 붕괴, B-붕괴 한계, 단위성 등 이론적 및 실험적 제약 조건을 모두 업데이트하고 2HDM에 VLL를 포함한 경우에 적용하는 것.
• 표준 유형-II 2HDM에서 발생하는 B-붕괴 제약 조건과의 갈등을 해결할 수 있는가를 두 번째 순서의 Barr-Zee 도형을 통한 VLL 기여 여부를 평가하는 것.
• 표준 2HDM와 비교하여, VLL를 포함한 유형-X 및 뮤온 특화 2HDM의 성능을 평가하고, 양자역학적 안정성과 단위성 제약 조건을 고려한 양자역학적 상수와 쿠르트-요크 상수의 제약 조건을 설정하는 것.

제안 방법

• 나무 단계의 흐름 변화 중성자 흐름을 방지하기 위해 $\mathbb{Z}_2$ 대칭을 가진 2HDM를 채택하며, 주로 유형-X와 뮤온 특화 모형에 집중한다.
• 뮤온과 혼합되지 않는 힉스 부문과 결합하는 벡터형-레프톤(VLLs)을 포함하여, 두 번째 순서의 Barr-Zee 도형을 통해 $\Delta a_\mu$에 기여한다.
• 전자기 정밀도 관측치, $B \to K^{(*)} \ell^+\ell^-$ 붕괴, 타우 레프톤 붕괴, 힉스의 비가시 붕괴 모드에서 유래한 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제한한다.
• 최신 페르미랩 $\mu$-g-2 측정치($\Delta a_\mu = (251 \pm 59) \times 10^{-11}$)를 이상현상 맞춤에 입력으로 사용한다.
• 양자역학적 안정성과 단위성 제약 조건을 고려한 힉스와 VLL 사이의 양자역학적 상수에 대한 전역 맞춤을 수행하며, $\lambda_{L,R}$에 대한 제한을 설정한다.
• $m_A$, $\tan\beta$, $m_{H^+}$ 및 VLL 질량에 대한 수치적 스캔을 수행하며, $(m_A, \tan\beta)$ 평면에서 허용 가능한 영역을 설명하기 위해 벤치마크 포인트(B1, B2)를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림 없는 뮤온과의 혼합이 없는 벡터형-레프톤(VLLs)의 포함이 유형-X 2HDM에서 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명할 수 있는 매개변수 공간을 크게 확장할 수 있는가?
• RQ2 B-메손 붕괴, 타우 레프톤 붕괴, 힉스의 비가시 붕괴에서 유래한 제약 조건이 VLL를 포함한 2HDM의 허용 가능한 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 VLL의 두 번째 순서 Barr-Zee 기여가 표준 2HDM에 비해 $(g-2)_\mu$ 이상현상에 대한 맞춤도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 히iggs와 VLL 사이의 큰 양자역학적 상수가 모형의 양자역학적 안정성과 단위성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비틀림 없는 뮤온과의 혼합이 없는 뮤온 특화 2HDM가 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 동시에 충족시키면서도 표준 유형-II 모형이 제거하는 B-붕괴 제약 조건과 충돌을 피할 수 있는가?

주요 결과

• 비틀림 없는 뮤온과의 혼합이 없는 VLL의 포함은 유형-X 및 뮤온 특화 2HDM가 $m_A$가 최소 10 GeV이고 $\tan\beta$가 30에서 50 사이일 때 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명할 수 있도록 하며, 이는 4.2$\sigma$ 이상현상과 일치한다.
• 두 번째 순서의 Barr-Zee 도형을 통한 VLL 기여는 타당한 매개변수 공간을 크게 넓히며, 이전에는 B-붕괴 제약 조건으로 인해 배제되었던 해법을 가능하게 한다.
• 히iggs와 VLL 사이의 양자역학적 상수 $\lambda_{L,R}$가 크기만 하면 단위성과 양자역학적 안정성 제약 조건을 충족할 수 있으며, 벤치마크 포인트 B1과 B2에 대해 $\lambda_{\text{max}} \lesssim 4\pi$의 제한이 존재한다.
• 뮤온 특화 2HDM에 VLL를 포함한 경우 $(m_A, \tan\beta)$ 평면에서의 허용 영역은 표준 2HDM에 비해 더 낮은 $m_A$와 더 높은 $\tan\beta$로 확장되며, 이상현상에 대한 맞춤도가 향상된다.
• 타우 레프톤 붕괴와 $h \to AA$ 비가시 붕괴에서 온 제약 조건은 매개변수 공간을 추가로 제한하지만, VLL 확장 모형에서는 여전히 타당한 해법이 존재한다.
• 비틀림 없는 VLL가 뮤온과 혼합하지 않더라도 이상현상을 설명하는 데 타당한 경로를 제공하지만, 뮤온과 혼합하는 VLL를 포함한 모형이 더 낮은 양자역학적 상수 요구 조건을 제공하므로 선호될 수 있음을 확인했다.