[논문 리뷰] $h ightarrow\mu au$, muon g$-$2, and a possible interpretation of the Galactic Center gamma ray excess

Xuewen Liu, Ligong Bian외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 타입-III 이중 힉스 도우블릿 모형에 추가 편성자를 도입하여 CMS의 $h \to \mu\mu$ 초과 현상과 뮤온 $g-2$ 이질현상 둘 다를 동시에 설명하면서도 $\tau \to \mu\gamma$ 플레버 위반 제약 조건과도 일치한다. 이 편성자 또한 우주 중심부 감마선 초과 현상을 설명할 수 있는 타당한 암흑물질 후보를 제공하지만, 관측된 잔류 밀도를 달성하기 위해 추가의 결합 채널이 필요하다.

ABSTRACT

In this work, we introduce an extra pseudoscalar into the Type-III two-Higgs doublet model (2HDM). In the framework of the extended 2HDM, the $h ightarrow\mu au$ excess measured at CMS and $(g-2)_{\mu}$ anomaly can be simultaneously explained within a parameter space which is not ruled out by the flavor-violating process $ au ightarrow\mu\gamma$. Moreover, existence of the pseudo-scalar provides an opportunity to interpret the Galactic Center gamma ray excess(GCE) which might be caused by dark matter(DM) pair annihilations. It is also noted that to meet the observed DM relic density, other DM annihilation channels are needed.

연구 동기 및 목표

• CMS의 $h \to \mu\mu$ 붕괴 초과 현상과 뮤온의 비정상 자기모멘트 $(g-2)_\mu$ 이질현상을 단일 이론적 프레임워크 내에서 조화시키기.
• 특히 $\tau \to \mu\gamma$와 같은 희귀 플레버 변화 과정 제약 조건을 고려할 때 모형이 타당한지 보장하기.
• 도입된 편성자가 은하 중심 감마선 초과 현상을 설명할 수 있는 암흑물질 후보가 될 수 있는지 탐색하기.
• 모형이 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 재현할 수 있는지 평가하기 위해 추가 결합 채널이 필요한지 확인하기.

제안 방법

• 실수 스칼라 싱เก트론이 진공 기대값을 얻고 CP-홀드 힉스 상태와 혼합하여 물리적 편성자 상태를 형성하도록 타입-III 이중 힉스 도우블릿 모형을 확장하기.
• 새로운 스칼라와 페르미온을 포함한 1-루프 도형을 사용하여 새로운 편성자가 뮤온의 비정상 자기모멘트에 기여하는 기여도 계산하기.
• CP-짝성 힉스와 새로운 스칼라 간의 혼합 효과를 고려하여 확장된 모형 내에서 $h \to \mu\mu$ 붕괴 확률 계산하기.
• 실험적 제약 조건을 사용하여 $\tau \to \mu\gamma$의 분해비율을 평가하여 모형을 제약 조건에 맞추기.
• 표준모형 최종 상태로의 편성자 결합 단면적을 통해 암흑물질 잔류 밀도 계산하기, $\gamma\gamma$, $\gamma Z$, $ZZ$ 포함.
• 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 만족시키기 위해 $\gamma Z$ 및 $ZZ$와 같은 추가 결합 채널 포함하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입-III 2HDM에 편성자를 도입함으로써 $h \to \mu\mu$ 붕괴 초과 현상과 뮤온 $g-2$ 이질현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 모형은 $\tau \to \mu\gamma$에 대한 엄격한 실험 제약 조건과 일치하는가?
• RQ3 편성자가 은하 중심 감마선 초과 현상을 설명할 수 있는 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ4 모형에서 관측된 잔류 밀도를 달성하기 위해 추가로 필요한 암흑물질 결합 채널은 무엇인가?

주요 결과

• 확장된 모형은 $\tau \to \mu\gamma$ 제약 조건을 만족하는 매개변수 영역 내에서 $h \to \mu\mu$ 붕괴 초과 현상과 뮤온 $g-2$ 이질현상을 성공적으로 설명한다.
• 새로운 스칼라 상태의 편성자 성분은 $\chi\chi \to \gamma\gamma$ 및 $\chi\chi \to \gamma Z$ 과정를 통해 은하 중심 감마선 초과 현상을 생성할 수 있는 타당한 암흑물질 후보를 제공한다.
• 모형의 암흑물질 잔류 밀도는 $\gamma Z$ 및 $ZZ$와 같은 추가 결합 채널이 포함된 경우에만 관측 결과와 일치한다.
• $h \to \mu\mu$ 초과 현상과 $g-2$ 이질현상이 동시에 가능한 매개변수 영역는 $\tau \to \mu\gamma$ 제약 조건과도 호환되며, 이는 이론적 타당성을 시사한다.