[논문 리뷰] Muon $g-2$ Anomaly in Anomaly Mediation

Wen Yin|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 윈오가 주요 어둠료 물질 성분인 이４중성 대칭 붕괴(AMSB) 시나리오에서 뮤온의 g-2 이상 현상이 어떻게 설명될 수 있는지 조사한다. 4.2σ의 이질성은 큰 힉스ино 임계 보정(L ∼ m₃/₂)이 없이는 설명될 수 없으며, 이는 이론적 일치를 위해 필수적임을 보여준다. L가 상당히 크다면, 글루아인과 빈오, 윈오 질량은 각각 4 TeV 이하, 2 TeV 이하, 2 TeV 이하로 제약을 받으며, 이는 실험적 콜라이더 및 어둠료 물질 탐지에 대한 검증 가능한 신호를 제공한다.

ABSTRACT

The long-standing muon $g-2$ anomaly has been confirmed recently at the Fermilab. The combined discrepancy from Fermilab and Brookhaven results shows a difference from the theory at a significance of 4.2 $σ$. In addition, the LHC has updated the lower mass bound of a pure wino. In this letter, we study to what extent the $g-2$ can be explained in anomaly mediation scenarios, where the pure wino is the dominant dark matter component. To this end, we derive some model-independent constraints on the particle spectra and $g-2$. We find that the $g-2$ explanation at the 1$σ$ level is driven into a corner if the higgsino threshold correction is suppressed. On the contrary, if the threshold correction is sizable, the $g-2$ can be explained. In the whole viable parameter region, the gluino mass is at most $2-4\,$TeV, the bino mass is at most $2\,$TeV, and the wino dark matter mass is at most $1-2\,$TeV. If the muon $g-2$ anomaly is explained in the anomaly mediation scenarios, colliders and indirect search for the dark matter may find further pieces of evidence in the near future. Possible UV models for the large threshold corrections are discussed.

연구 동기 및 목표

• 관측된 4.2σ 뮤온 g-2 이상 현상이 이４중성 대칭 붕괴(AMSB) 시나리오에서 어느 정도 설명될 수 있는지 규명하는 것.
• 순수 윈오가 주요 어둠료 물질 성분인 AMSB에서 입자 스펙트럼과 g-2에 대한 모델 독립적 제약 조건을 규명하는 것.
• 해당 이상 현상을 타당하게 설명할 수 있도록 하는 힉스ино 임계 보정(L)의 역할을 분석하는 것.
• g-2 이상 현상과 콜라이더/천체물리학적 제약 조건을 동시에 만족시키는 스퍼파트클 질량의 상한을 도출하는 것.
• 큰 L을 생성하면서도 맛과 CP 위반 문제를 피할 수 있는 UV 완전 모델을 탐색하는 것.

제안 방법

• 윈오, 빈오, 글루아인, 스모우온을 포함하는 효과 이론을 유도하여 이４중성 중재에서 뮤온 g-2를 계산한다.
• g-2를 제어하는 핵심 매개변수로 힉스ино 임계 보정 L = μ sin 2β (m_A² / (|μ|² - m_A²)) log(|μ|² / m_A²)를 사용한다.
• 순수 윈오 질량에 대한 LHC의 최신 하한과 스모우온 진공 안정성 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제약한다.
• M_wino ∝ 10⁻³ c₂ (m₃/₂ + L)에 초점을 맞춘 게이지노 질량 스펙트럼의 모델 독립적 분석을 수행하여 타당한 영역을 규명한다.
• 자기분리된 렙톤 다중체나 힉스-이４중성 중재를 포함한 UV 완전 모델을 고려하여 큰 L을 생성하면서도 진공 붕괴나 맛 위반을 억제하는 방법을 모색한다.
• L 내의 CP 위상이 뮤온 및 전자 전기 dipole 모멘트(EDM)에 미치는 영향을 평가하고, 실험적 제약 조건과의 일치 여부를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 윈오가 어둠료 물질인 이４중성 중재 초대칭 시나리오에서 4.2σ 뮤온 g-2 이상 현상이 설명될 수 있는가?
• RQ2 g-2 이상 현상을 1σ 정도로 설명하기 위해 필요한 힉스ино 임계 보정 L의 크기는 얼마인가?
• RQ3 g-2 이상 현상과 콜라이더 제약 조건을 동시에 만족시키는 글루아인, 빈오, 윈오 질량의 상한은 각각 얼마인가?
• RQ4 자기분리된 렙톤 또는 힉스 다중체를 포함한 UV 모델은 맛 위반 또는 CP 위반 제약 조건을 위반하지 않으면서 큰 L을 어떻게 생성하는가?
• RQ5 만약 g-2 이상 현상이 AMSB에서 큰 L을 통해 설명된다면, 콜라이더와 간접 어둠료 물질 탐지에서 기대되는 신호는 무엇인가?

주요 결과

• 만약 힉스ино 임계 보정 L이 억제되어 있다면(L ∼ 0), g-2 이상 현상은 1σ 수준에서 설명될 수 없다.
• g-2 이상 현상을 설명하기 위해서는 상당한 크기의 L ∼ m₃/₂ 가 필요하며, 이는 중력보 질량 m₃/₂ 를 초월하여 지배한다.
• 타당한 영역에서 글루아인 질량은 ≤ 4 TeV, 빈오 질량은 ≤ 2 TeV, 윈오 어둠료 물질 질량은 ≤ 2 TeV로 제약된다.
• 이 시나리오는 M_wino ∝ m₃/₂ + L 형태의 특이한 게이지노 질량 관계를 예측하며, 이는 콜라이더에서의 증거 신호가 될 수 있다.
• 자기분리된 뮤온 다중체나 힉스 중재를 포함한 UV 모델은 큰 L을 생성하면서도 렙톤 맛 위반과 전자 EDM 을 억제할 수 있다.
• L 내의 CP 위상 존재는 뮤온 EDM 이 비영이 되게 하며, 이는 J-PARC에서 시험 가능하여 이 시나리오의 증거 신호가 될 수 있다.