[논문 리뷰] Revisiting the Dark Photon Explanation of the Muon g-2 Anomaly

Gopolang Mohlabeng|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 13.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 어두운 보존이 뮤온 g-2 비일치 현상의 해법이 되도록 하기 위해, $A^\prime$ 보손이 어둠의 물질과 더 높은 에너지 상태의 어두운 섹터 상태로 붕괴하는 반투명 붕괴 모드를 제안한다. 큰 질량 차이에서 이러한 붕괴 모드를 강화함으로써, 이전의 투명한 붕괴 탐색 실험에서의 제약 조건을 피할 수 있으며, 이로써 $A^\prime$ 보손이 g-2 비일치 현상을 설명하면서도 열적 어둠의 물질 잔여 밀도와 일치하는 상태를 유지할 수 있다.

ABSTRACT

A massive $U(1)^{\prime}$ gauge boson known as a or $A^{\prime}$, has long been proposed as a potential explanation for the discrepancy observed between the experimental measurement and theoretical determination of the anomalous magnetic moment of the muon, ($g_{\mu} - 2$) anomaly. Recently, experimental results have excluded this possibility for a dark photon exhibiting exclusively visible or invisible decays. In this work, we revisit this idea and consider a model where $A^{\prime}$ couples inelastically to dark matter and an excited dark sector state, leading to a more exotic decay topology we refer to as a semi-visible decay. We show that for large mass splittings between the dark sector states this decay mode is enhanced, weakening the previous invisibly decaying dark photon bounds. As a consequence, $A^{\prime}$ resolves the $g_{\mu} - 2$ anomaly in a region of parameter space the thermal dark matter component of the Universe is readily explained. Interestingly, it is possible that the semi-visible events we discuss may have been vetoed by experiments searching for invisible dark photon decays. A re-analysis of the data and future searches may be crucial in uncovering this exotic decay mode or closing the window on the dark photon explanation of the $g_{\mu} - 2$ anomaly.

연구 동기 및 목표

• 최근 실험 제약 조건을 고려하여 뮤온 g-2 비일치 현상에 대한 어둠의 보존 설명을 재구성하기.
• 관측된 g-2 비일치 현상과 순수히 투명하거나 시각적 $A^\prime$ 붕괴가 배제된다는 갈등을 해결하기.
• 어둠의 물질과 더 높은 에너지 상태의 어둠의 섹터 상태로 붕괴하는 새로운 붕괴 구조—반투명 붕괴—를 탐색하기.
• 이 이국적인 붕괴 모드의 신호가 이전 실험이 의도치 않게 차단했을 가능성을 평가하기.
• $A^\prime$ 보손이 g-2 비일치 현상을 설명하면서도 열적 어둠의 물질 잔여 밀도 제약 조건을 만족하는 매개변수 영역을 식별하기.

제안 방법

• 어둠의 물질과 더 높은 에너지 상태의 어둠의 섹터 상태에 비탄성적으로 결합하는 $U(1)^\prime$ 게이지 보손 ($A^\prime$)를 도입한다.
• $A^\prime$ 붕괴를 $A^\prime \to \chi + \chi^\prime$로 모델링하며, 여기서 $\chi$는 어둠의 물질이고 $\chi^\prime$는 더 무거운 어둠의 섹터 상태이다.
• 질량 차이 $\Delta m = m_{\chi^\prime} - m_\chi$ 가 클 경우 붕괴 너비가 증가하여 반투명 최종 상태가 되도록 분석한다.
• 이 붕괴 구조가 투명한 붕괴 탐색 실험에서의 기존 제약 조건에 미치는 영향을 평가한다.
• 관측된 우주의 열적 어둠의 물질 잔여 밀도와 일치하는지 확인하기 위해 잔여 밀도 계산을 수행한다.
• g_{\mu} - 2와 직접 탐지 실험의 제약 조건과의 비교를 통해 $A^\prime$ 모델의 타당성을 재평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 질량 차이에서 $A^\prime$ 보손이 투명한 붕괴 탐색 실험의 제약 조건을 피하면서도 뮤온 g-2 비일치 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 반투명 붕괴 모드 $A^\prime \to \chi + \chi^\prime$ 는 어둠의 보존 설명의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어둠의 섹터 상태 간의 큰 질량 차이가 $A^\prime$ 붕괴 너비와 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이전 실험이 반투명 붕괴 모드의 신호를 차단하기 위해 비트로 전략을 사용했을 가능성은 없는가?
• RQ5 g_{\mu} - 2 를 설명하면서도 관측된 열적 어둠의 물질 잔여 밀도와 일치하는 매개변수 영역이 존재하는가?

주요 결과

• 큰 질량 차이에서 반투명 붕괴 모드 $A^\prime \to \chi + \chi^\prime$ 가 강화되어 투명한 최종 상태로의 분포율이 감소한다.
• 이 강화로 인해 투명한 붕괴 탐색 실험에서의 제약 조건이 약화되어, $A^\prime$ 가 뮤온 g-2 비일치 현상을 설명할 수 있는 타당한 매개변수 영역이 재개된다.
• 이 모델은 관측된 우주의 어둠의 물질 잔여 밀도와 일치하는 열적 어둠의 물질 성분을 허용한다.
• 반투명 붕괴 구조는 이전에 투명한 $A^\prime$ 붕괴를 찾는 실험에서 의도치 않게 차단되었을 수 있으며, 이는 기존 데이터의 재분석 필요성을 시사한다.
• 미래에 반투명 최종 상태를 전용으로 탐색하는 실험이 수행될 경우, $A^\prime$ 를 발견하거나 어둠의 보존이 g_{\mu} - 2 를 설명하는 해법의 창을 닫을 수 있다.