[논문 리뷰] Probing the explanation of the muon (g-2) anomaly and thermal light dark matter with the semi-visible dark photon channel

NA64 Collaboration, P. Odagiu외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 40인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 뮤온 (g-2) 이상 현상과 열적 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 설명할 수 있는 반투명한 어둠의 보스론(A′) 붕괴 채널 A′ → χ₁χ₂ 및 그 후속 붕괴 χ₂ → χ₁e⁺e⁻을 제안한다. NA64 실험 데이터의 완전한 재분석을 통해 mA′ < 0.39 GeV 이며 ε가 3×10⁻⁵에서 2×10⁻² 사이인 영역에서 90% 신뢰수준의 매개변수 영역을 배제하였으며, 이는 (g-2) 이상 현상과 어둠의 물질 잔여 밀도 영역의 중요한 부분을 커버한다.

ABSTRACT

We report the results of a search for a new vector boson ($A'$) decaying into two dark matter particles $\chi_1 \chi_2$ of different mass. The heavier $\chi_2$ particle subsequently decays to $\chi_1$ and $A' o e^- e^+$. For a sufficiently large mass splitting, this model can explain in terms of new physics the recently confirmed discrepancy observed in the muon anomalous magnetic moment at Fermilab. Remarkably, it also predicts the observed yield of thermal dark matter relic abundance. A detailed Monte-Carlo simulation was used to determine the signal yield and detection efficiency for this channel in the NA64 setup. The results were obtained re-analyzing the previous NA64 searches for an invisible decay $A' o \chi \overline{\chi}$ and axion-like or pseudo-scalar particles $a o \gamma \gamma$. With this method, we exclude a significant portion of the parameter space justifying the muon g-2 anomaly and being compatible with the observed dark matter relic density for $A'$ masses from 2$m_e$ up to 390 MeV and mixing parameter $\epsilon$ between $3 imes10^{-5}$ and $2 imes10^{-2}$.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 (g-2) 이상 현상과 관측된 열적 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 설명할 수 있는 반투명한 어둠의 보스론 A′ 붕괴 채널을 탐색한다.
• U(1)D 어둠의 물리계에서, 허위 디랙 어둠의 물질 상태와 표준모형 광자와의 운동혼합을 포함한 매개변수 영역에 대한 실험적 제약을 향상시킨다.
• 무인 모드로 수집된 NA64 데이터를 재분석하여 A′ → χ₁χ₂(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)의 신호를 탐색한다. 이는 가시 붕괴 모드와 비가시 붕괴 모드의 특성을 모두 포함한다.
• NA64 실험의 이 모델에 대한 감도를 평가하고, 최적화된 검출기 구성으로 향후 향상 가능성을 예측한다.
• 이전에 탐색되지 않은, (g-2) 이상 현상과 관측된 어둠의 물질 밀도 모두와 일치하는 매개변수 영역을 식별하고 배제한다.

제안 방법

• 어둠의 힉스 장 hD에 의한 자발적 대칭 붕괴를 거쳐 질량이 있는 어둠의 보스론 A′를 생성하는 U(1)D 게이지 대칭을 도입하며, 이는 표준모형 광자와의 운동혼합 계수 ε를 가진다.
• U(1)D에 대해 전하를 지닌 허위 디랙 Fermion 장 Ψ를 도입하며, 대칭 붕괴 후 경량 안정 상태 χ₁과 더 무거운 불안정 상태 χ₂(질량 차이 ∆ = mχ₂ − mχ₁)로 분리된다.
• 효과적 라그랑지안(Eq. 1)을 사용하여 상호작용을 기술하며, χ₂와 A′ 사이의 비대칭 결합 gD와 A′와 표준모형 전자의 εe 결합을 포함한다.
• MadGraph5aMC@NLO의 MadWidth 모듈을 사용하여 3체 붕괴 너비 Γ(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)를 계산하며, 보정 계수 K ≈ 0.640 ± 0.004를 포함한 수정된 공식(Eq. 2)을 도출한다.
• 검출기 구성, 응답, 재구성 효율성 및 모든 체계적 불확실성을 포함한 NA64 검출기 환경에서 신호 과정의 전체 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 무인 모드로 수집된 세 개의 런 데이터를 재분석하여 (mA′, ε), (mA′, αD), (mχ₁, ∆/mχ₁) 평면에서 90% 신뢰수준 배제 한계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반투명한 붕괴 채널 A′ → χ₁χ₂(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)는 뮤온 (g-2) 이상 현상과 관측된 열적 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 모델의 매개변수 영역에 대한 실험적 제한은 무엇인가? 특히 mA′ < 0.39 GeV 이며 ε가 3×10⁻⁵에서 2×10⁻² 사이인 경우에 대해 어떻게 되는가?
• RQ3 붕괴 너비의 ∝ ∆⁵ 스케일링이 짧은 수명의 χ₂ 상태 탐지 가능성에 미치는 영향은 무엇이며, 향후 감도에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 NA64 실험은 (g-2) 이상 현상과 어둠의 물질 잔여 밀도 매개변수 영역에서 이전에 탐색되지 않은 영역을 어느 정도 배제할 수 있는가?
• RQ5 짧은 수명의 χ₂ 붕괴를 탐지하기 위해, 압축형 HCAL1과 증가된 EOT(electrons on target)를 통해 감도는 얼마나 향상될 수 있는가?

주요 결과

• NA64 실험은 A′ 질량이 0.39 GeV 이하인 영역에서, 뮤온 (g-2) 이상 현상과 열적 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 설명할 수 있는 매개변수 영역의 90% 신뢰수준에서 상당 부분을 배제하였다.
• 이전의 제약보다 개선된 결과로, 특히 mA′ ≲ 0.39 GeV 이며 ε ∈ [3×10⁻⁵, 2×10⁻²] 영역에서 이전에 발견되지 않은 매개변수 영역을 배제하였다. 이는 αD = 0.1 및 ∆/mχ₁ = 0.4를 가정할 때 성립한다.
• mA′ ≳ 0.3 GeV 영역에서는 (g-2) 이상 현상의 중심 영역 내에서 모델이 배제되며, 이는 mA′ > 0.4 GeV 또는 큰 질량 분리 ∆를 가진 모델만 아직 타당하다는 것을 시사한다.
• ∆/mχ₁ ≳ 0.5일 경우 붕괴 너비의 ∆⁵ 스케일링으로 인해 신호 수확률이 지수적으로 감소하여, 큰 질량 분리에서는 탐지가 점점 어려워진다.
• 5×10¹² EOT와 50 cm의 압축형 HCAL1을 가진 경우, 실험은 매우 큰 ∆/mχ₁ 값 이외에는 제한을 받지 않으며, 향후 런에서 물리적으로 관심 있는 영역를 완전히 커버할 수 있음을 시사한다.
• 이 연구는 NA64 설정이 반투명 붕괴에 민감하며, 압축형 검출기 구성이 (g-2) 이상 현상과 어둠의 물질 잔여 밀도에 모두 해당하는 타당한 매개변수 영역을 완전히 탐색할 수 있음을 보여준다.