[논문 리뷰] Probing light dark matter with scalar mediator: muon $(g-2)$ deviation, the proton radius puzzle

Bin Zhu, Xuewen Liu|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 효과적 양자장이론 프레임워크 내에서 MeV 스케일의 프리미티브한 스칼라 매개체를 제안하며, 이는 뮤온과 다운夸克에 대한 결합을 통해 뮤온 g-2 이상 현상과 양성자 반지름 역설을 동시에 설명한다. 모델은 매개체가 주로 MeV 이하의 어둠센 물질으로 분해되도록 라우팅함으로써 고강도 실험 제약 조건을 피한다. 추가로 메이저온 매개체를 도입함으로써 어둠센 물질 과잉 생성과 ΔN_eff 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Flavor specific scalar bosons exist in various proposed extensions of the Standard Model and are motivated to couple to single generation of fermions through a global flavor symmetry breaking mechanism. We propose the MeV flavor specific scalar model in an effective field theory approach, where muon g-2 anomaly and proton radius puzzle can be explained remarkably through the coupling with muon and down-quark simultaneously. The framework is consistent with the null result of high intensity searches. In particular the E137 constraint is safely ignored by assuming mediator decaying into sub-MeV dark matter dominantly. The existence of sub-MeV dark matter results in over-production of dark matter and $\Delta N_{\mathrm{eff}}$ constraint, which can be solved by introducing additional Majoron mediator. We also investigate the searches for mediator and dark matter and their implications on viable parameter space such as supernova cooling on muon coupling, atomic physics constraint, direct detection for light boosted dark matter.

연구 동기 및 목표

• 단일 이론적 프레임워크 내에서 오랫동안 남아있던 뮤온 (g-2) 이상 현상과 양성자 반지름 역설을 해결하기 위해.
• 글로벌 프리미티브 색깔 대칭 붕괴를 통해 뮤온과 다운夸크에만 선택적으로 결합하는 프리미티브한 스칼라 모델을 구축하기 위해.
• 특히 E137 제약 조건을 포함한 고강도 실험의 null 결과와의 일치를 확보하기 위해.
• 빅뱅 핵합성과 CMB 관측에서의 ΔN_eff 경계 조건을 만족시키기 위해 추가 메이저온 매개체를 도입하여 어둠센 물질 과잉 생성 문제를 해결하기 위해.
• 초신성 냉각, 원자물리학, 그리고 빠르게 움직이는 가벼운 어둠센 물질의 직접 탐지로부터의 제약을 활용하여 타당한 매개변수 공간을 매핑하기 위해.

제안 방법

• 뮤온과 다운夸크에 대한 결합을 가진 프리미티브한 스칼라 매개체를 효과적 양자장이론 접근법을 통해 모델링하기 위해.
• 고강도 실험에서의 E137 제약 조건을 피하기 위해 스칼라 매개체가 주로 MeV 이하 어둠센 물질로 붕괴되도록 가정하기 위해.
• 어둠센 물질 과잉 생성 문제와 ΔN_eff 경계 조건을 해결하기 위해 메이저온 매개체를 도입하기 위해.
• 초신성 냉각 제약 조건을 적용하여 뮤온 결합 강도를 제한하기 위해.
• 전자 및 경량 원자에 대한 매개체의 결합에 대한 원자물리학 제약 조건을 평가하기 위해.
• 모델의 매개변수 공간 내에서 빠르게 움직이는 가벼운 어둠센 물질의 직접 탐지 가능성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 MeV 스케일의 스칼라 매개체가 동시에 뮤온 g-2 이상 현상과 양성자 반지름 역설을 해결할 수 있는가?
• RQ2 모델은 뮤온과 쿼크에 대한 결합을 유지하면서도, 빛인 스칼라 매개체에 대한 엄격한 E137 제약 조건을 어떻게 피할 수 있는가?
• RQ3 어떻게 MeV 이하 어둠센 물질의 과잉 생성과 ΔN_eff 경계 위반을 방지할 수 있는가?
• RQ4 초신성 냉각과 원자물리학 제약 조건은 뮤온 결합의 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ5 이 모델에서 빠르게 움직이는 가벼운 어둠센 물질의 직접 탐지에 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 모델은 뮤온과 다운夸크에 대한 결합을 통해 뮤온 g-2의 편차와 양성자 반지름 역설을 모두 성공적으로 설명한다.
• 매개체가 주로 MeV 이하 어둠센 물질로 붕괴되므로, 고강도 실험에서의 E137 제약 조건을 안전하게 피할 수 있다.
• 메이저온 매개체의 도입으로 어둠센 물질 과잉 생성 문제가 해결되고 ΔN_eff 경계 조건도 만족된다.
• 초신성 냉각은 뮤온 결합 강도에 강력한 제약을 가하며, 그 크기를 MeV 이하 수준으로 제한한다.
• 원자물리학 제약, 특히 정밀 분광법을 통한 제약이 경량 페르미온에 대한 매개체의 결합 강도 매개변수 공간을 추가로 제한한다.
• 특히 매개체가 가볍고 어둠센 물질의 상호작용이 충분히 약할 경우, 빠르게 움직이는 가벼운 어둠센 물질의 직접 탐지가 매개변수 공간의 일부에서 여전히 가능하다.