[논문 리뷰] Lepton Anomalous Magnetic Moment with Singlet-Doublet Fermion Dark Matter in Scotogenic $U(1)_{L_μ-L_τ}$ Model

Debasish Borah, Manoranjan Dutta외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전자 및 뮤온의 비정상 자기모멘트를 동시에 설명하면서도 안정한 싱เก트-더블렛 페르미온 어둠스물 후보를 유지할 수 있도록, 벡터형 리프톤 더블렛과 오른쪽 손가락 단일 페르미온을 포함한 확장된 스코토제닉 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 모델을 제안한다. 모델은 전자 $(g-2)$ 에 대해 카이랄적으로 증폭된 음성 기여와 뮤온 $(g-2)$ 에 대해 양성 기여를 달성하여, 중성미온 질량, 라이프톤 간섭, 어둠스물 물리학에 대한 실험 제약 조건 내에서 두 이상현상을 성공적으로 통합한다.

ABSTRACT

We study an extension of the minimal gauged $L_μ-L_τ$ model in order to explain the anomalous magnetic moments of muon and electron simultaneously. Presence of an additional scalar doublet $η$ and an in-built $Z_2$ symmetry under which the right handed singlet fermions and $η$ are odd, leads to light neutrino mass in scotogenic fashion along with a stable dark matter candidate. In spite of the possibility of having positive and negative contributions to $(g-2)$ from vector boson and charged scalar loops respectively, the minimal scotogenic $L_μ-L_τ$ model can not explain muon and electron $(g-2)$ simultaneously while being consistent with other experimental bounds. We then extend the model with a vector like lepton doublet which not only leads to a chirally enhanced negative contribution to electron $(g-2)$ but also leads to the popular singlet-doublet fermion dark matter scenario. With this extension, the model can explain both electron and muon $(g-2)$ while being consistent with neutrino mass, dark matter and other direct search bounds. The model remains predictive at high energy experiments like collider as well as low energy experiments looking for charged lepton flavour violation, dark photon searches, in addition to future $(g-2)$ measurements.

연구 동기 및 목표

• 장기간 지속된 뮤온 비정상 자기모멘트 ($a_\\\mathrm{\mu}$) 의 괴리와 전자 자기모멘트 ($a_e$) 에서의 새로운 긴장 현상을 하나의 통합 틀 안에서 해결하기 위해.
• 최소한의 스코토제닉 $L_\mu - L_\tau$ 모델에 벡터형 리프톤 더블렛을 추가하여, 기존에는 어려웠던 $a_e$ 에 대해 카이랄적으로 증폭된 음성 기여를 생성하기 위해.
• 내재된 $Z_2$ 대칭성을 통해 안정한 싱게트-더블렛 페르미온 어둠스물 후보를 유지하여 관측된 어둠스물 잔여 밀도와 직접 탐지 제약 조건과 일치시키기 위해.
• 1-loop 스코토제닉 메커니즘을 통해 중성미온 질량을 생성하고 라이프톤 간섭, 어둠스물 포톤 탐색, 향후 $g-2$ 측정치와의 일치를 확보하기 위해.

제안 방법

• 전하 스칼라 및 벡터 보손을 포함한 루프 다이어그램을 통해 $Z_2$-홀드 양자수를 가진 벡터형 리프톤 더블렛을 도입하여 전자 비정상 자기모멘트에 대해 카이랄적으로 증폭된 음성 기여를 생성한다.
• 최소한의 스코토제닉 $L_\mu - L_\tau$ 모델에 오른쪽 손가락 중성미온 3개와 스칼라 더블렛 $\eta$ 를 추가하여, $Z_2$ 대칭성이 어둠스물 후보의 안정성과 가벼운 중성미온 질량의 1루프 생성을 보장한다.
• 기저 $(\psi_R^0)^c$, $\psi_L^0$, 및 $N_1^c$ 에서 페르미온 질량 행렬을 구성하고, 정규직교 변환을 통해 대각화하여 가장 가벼운 질량 고유상태를 어둠스물 후보의 주요 성분으로 식별한다.
• 게이지 운동에너지 및 양자역학 상호작용의 회전을 통해 어둠스물, 표준모형 리프톤, 게이지 보손(특히 $Z$, $W^\pm$, 및 $A$) 사이의 물리적 혼합 각도 및 결합 상수를 유도한다.
• 차가운 스칼라 및 벡터 보손 루프에서의 $a_e$ 와 $a_\mu$ 기여를 계산하고 간섭항을 포함하며, 중성미온 질량, 라이프톤 간섭, 직접 탐지 실험에 의한 제약 조건을 적용한다.
• 모든 현상학적 제약 조건을 충족시키기 위해 전반적인 피팅을 수행: $a_\mu$ 괴리, $a_e$ 이상현상, $m_\ \\nu \leq 0.1$ eV, $\mu \to e\gamma$ 분해율, 어둠스물 잔여 밀도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 스코토제닉 $L_\mu - L_\tau$ 모델은 뮤온과 전자의 비정상 자기모멘트 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 벡터형 리프톤 더블렛의 추가가 $a_e$ 에 대해 카이랄적으로 증폭된 음성 기여를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 벡터형 더블렛의 포함이 $L_\mu - L\tau$ 모델의 어둠스물 물리학, 특히 싱게트-더블렛 페르미온 시나리오에서 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모델은 라이프톤 간섭, 어둠스물 포톤 탐색, 향후 $g-2$ 실험 제약 조건과 어느 정도까지 일치할 수 있는가?
• RQ5 모델의 타당한 매개변수 영역는 $a_\mu$ 와 $a_e$ 이상현상을 동시에 충족시키면서도 중성미온 질량과 어둠스물 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 최소한의 스코토제닉 $L_\mu - L_\tau$ 모델은 루프 기여에서 기여의 부호가 서로 충돌하기 때문에 뮤온과 전자의 $(g-2)$ 이상현상을 동시에 설명할 수 없다.
• 반드시 $Z_2$-홀드인 벡터형 리프톤 더블렛의 추가는 $a_e$ 에 대해 카이랄적으로 증폭된 음성 기여를 가능하게 하여, 전자 자기모멘트의 $2.4\sigma$ 괴리 현상을 해결하는 데 필수적이다.
• 내재된 $Z_2$ 대칭성을 통해 안정한 싱게트-더블렛 페르미온 어둠스물 후보를 실현하며, 혼합 각도 $\alpha_{12}$ 와 $\alpha_{13}$ 이 작을 경우 가장 가벼운 중성 페르미온은 주로 $N_1$ 이 된다.
• 모델은 $a_\mu \approx 251 \times 10^{-11}$ 과 $a_e \approx -87 \times 10^{-14}$ 를 $2.4\sigma$ 긴장 범위 내에서 성공적으로 설명하며, 중성미온 질량 제약 조건 ($m_\nu \leq 0.1$ eV) 과 $\mu \to e\gamma$ 분해율 제약 조건과도 일치한다.
• 모델은 고에너지 충돌기에서 예측 가능하며 어둠스물 포톤 탐색 및 향후 $g-2$ 측정치와도 일치한다. 특히 $L_\mu - L_\tau$ 게이지 보손 결합의 맥락에서 그러하다.
• 매개변수 영역은 어둠스물 잔여 밀도가 관측된 값과 일치하도록 요구되며, $M_1 \sim 100$ GeV 이며 $m_D \sim 100$ GeV, $Y_\psi \sim 0.1$ 인 영역에서 타당성이 있다.