[논문 리뷰] New Physics Contributions to the Muon Anomalous Magnetic Moment

Farinaldo S. Queiroz, William Shepherd|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 새로운 물리학의 단순화 모델에서 한 루프 기여를 뮤온 비례 자기모멘트 $a_\mu$ 에 분석하여 분석적 공식과 Mathematica 코드를 제공한다. 관측된 $g-2$ 이질성은 단위 결합을 가진 0.3–2 테바르트 범위의 중성 스칼라 및 4 테바르트 범위의 이중적으로 양전하 스칼라 등 타당한 새로운 입자들이 설명할 수 있으며, 이 anomaly 가 다른 방식으로 해결된다고 가정할 경우 엄격한 $1\sigma$ 질량 하한선을 유도한다.

ABSTRACT

We consider the contributions of individual new particles to the anomalous magnetic moment of the muon, utilizing the generic framework of simplified models. We also present analytic results for all possible one-loop contributions, allowing easy application of these results for more complete models which predict more than one particle capable of correcting the muon magnetic moment. Additionally, we provide a Mathematica code to allow the reader straightforwardly compute any 1-loop contribution. Furthermore, we derive bounds on each new particle considered, assuming either the absence of other significant contributions to $a_\mu$ or that the anomaly has been resolved by some other mechanism. The simplified models we consider are constructed without the requirement of $SU(2)_L$ invariance, but appropriate chiral coupling choices are also considered. In summary, we found the following particles capable of explaining the current discrepancy, assuming unit couplings: $2$~TeV ($0.3$~TeV) neutral scalar with pure scalar (chiral) couplings, $4$~TeV doubly charged scalar with pure pseudoscalar coupling, $0.3-1$~TeV neutral vector boson depending on what couplings are used (vector, axial, or mixed), $0.5-1$~TeV singly-charged vector boson depending on which couplings are chosen, and $3$~TeV doubly-charged vector-coupled bosons. We also derive the following $1\sigma$ lower bounds on new particle masses assuming unit couplings and that the experimental anomaly has been otherwise resolved: a doubly charged pseudo-scalar must be heavier than $7$~TeV, a neutral scalar than $3$~TeV, a vector-coupled new neutral boson $600$~GeV, an axial-coupled neutral boson $1.5$~TeV, a singly-charged vector-coupled $W^\prime$ $1$~TeV, a doubly-charged vector-coupled boson $5$~TeV, scalar leptoquarks $10$~TeV, and vector leptoquarks $10$~TeV.

연구 동기 및 목표

• 단순화 모델을 사용하여 뮤온 비례 자기모멘트 $a_\mu$ 에 대한 모든 가능한 한 루프 기여를 체계적으로 평가하는 것.
• 모든 1루프 도형에서 새로운 입자가 포함된 경우에 대한 분석적 표현을 제공하여 더 복잡한 모델에 직접 적용할 수 있도록 하는 것.
• 새로운 입자 질량에 대한 모델 독립적 하한선을 도출하는 것. 이는 $a_\mu$ 이질성이 다른 메커니즘에 의해 해결되거나 존재하지 않는다고 가정할 때이다.
• 스칼라, 벡터, 렙토쿼크 상태 등 다양한 결합(스칼라, 편미분 스칼라, 벡터, 축성, 편미분)을 가진 다양한 새로운 입자들이 현재의 $g-2$ 이질성을 설명할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• SU(2)_L 불변성을 요구하지 않는 일반적인 단순화 모델 프레임워크를 구축하여 새로운 입자 구성의 탄력성을 허용한다.
• 스칼라, 벡터, 렙토쿼크 상태에서 다양한 결합을 가진 $a_\mu$ 에 대한 모든 한 루프 기여에 대해 분석적 표현을 유도한다.
• 단위 결합을 가정하여 관측된 $a_\mu$ 이질성을 설명할 수 있는 새로운 입자의 질량 척도를 추정한다.
• 이상이 다른 방식으로 해결된다고 가정할 경우, $1\sigma$ 통계적 하한선을 적용하여 새로운 입자 질량의 하한선을 도출한다.
• 모든 1루프 기여를 효율적으로 계산할 수 있도록 Mathematica 코드를 개발하여 실제 모델에의 적용을 촉진한다.
• 페르미온 헬리시티와 결합 유형이 $a_\mu$ 에 미치는 영향을 평가하기 위해 편미분 및 비편미분 결합 구조를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순화 모델에서 어떤 새로운 입자들이 단위 결합을 가질 경우 현재의 뮤온 비례 자기모멘트 이질성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 스칼라, 벡터, 렙토쿼크 상태에서 다양한 결합 유형을 가진 모든 1루프 기여에 대한 분석적 표현은 무엇인가?
• RQ3 만약 $a_\mu$ 이질성이 다른 어떤 메커니즘에 의해 해결된다고 가정할 경우, 새로운 입자 질량에 대한 $1\sigma$ 하한선은 무엇인가?
• RQ4 스칼라, 편미분 스칼라, 벡터, 축성, 편미분 등 다양한 결합 구조는 $a_\mu$ 기여의 크기와 부호에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 보수적인 가정 하에 $g-2$ 이질성을 설명하기 위해 필요한 새로운 입자의 최소 질량 척도는 무엇인가?

주요 결과

• 순수 스칼라 결합을 가진 중성 스칼라는 질량이 약 2 테바르트일 경우 $a_\mu$ 이질성을 설명할 수 있으며, 편미분 결합을 가진 스칼라는 오직 0.3 테바르트의 질량으로도 충분하다.
• 순수 편미분 스칼라 결합을 가진 이중적으로 양전하 스칼라는 질량이 약 4 테바르트일 경우 이질성을 설명할 수 있다.
• 벡터, 축성, 또는 혼합 결합을 가진 중성 벡터 보손은 질량이 0.3에서 1 테바르트 사이일 경우 이질성을 설명할 수 있다.
• 벡터 결합을 가진 단일적으로 양전하 벡터 보손은 질량이 0.5–1 테바르트일 경우 이질성을 설명할 수 있다.
• 벡터 결합을 가진 이중적으로 양전하 벡터 보손은 약 3 테바르트의 질량이 있어야 이질성을 해결할 수 있다.
• $1\sigma$ 하한선은 이상이 다른 방식으로 해결된다고 가정할 경우 다음과 같다: 이중적으로 양전하 편미분 스칼라 7 테바르트, 중성 스칼라 3 테바르트, 벡터 결합 중성 보손 600 기로전자볼트, 축성 결합 중성 보손 1.5 테바르트, 단일적으로 양전하 벡터 결합 $W'$ 1 테바르트, 이중적으로 양전하 벡터 결합 보손 5 테바르트, 스칼라 및 벡터 렙토쿼크 모두 10 테바르트.