[논문 리뷰] The CDF W-mass, muon g-2, and dark matter in a $U(1)_{L_μ-L_τ}$ model with vector-like leptons

Quan Zhou, Xiao-Fang Han|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 모형과 벡터형 렙톤을 도입하여 CDF $W$-보손 질량 비정상현상, 뮤온 $g-2$ 이질현상, 그리고 타당한 암흑물질을 동시에 설명한다. $W$-질량과 $g-2$ 데이터를 적합하기 위해, 벡터형 렙톤 $E_1$과 $E_2$ 사이의 큰 질량 분리와 비대칭적인 혼합 매개변수 $s_L$ 및 $s_R$ 가 필요로 함을 보여주며, 가장 가벼운 벡터형 렙톤이 암흑물질 질량과 가까울 경우 $Z'$ 또는 $S$ 쌍 생성 또는 공반화를 통해 암흑물질의 잔류 밀도가 달성됨을 밝힘.

ABSTRACT

We study the CDF $W$-mass, muon $g-2$, and dark matter observables in a local $U(1)_{L_μ-L_τ}$ model in which the new particles include three vector-like leptons ($E_1,~ E_2,~ N$), a new gauge boson $Z'$, a scalar $S$ (breaking $U(1)_{L_μ-L_τ}$), a scalar dark matter $X_I$ and its partner $X_R$. We find that the CDF $W$-mass disfavors $m_{E_1}= m_{E_2}={m_N}$ or $s_L=s_R=0$ where $s_{L(R)}$ is mixing parameter of left (right)-handed fields of vector-like leptons. A large mass splitting between $E_1$ and $E_2$ is favored when the differences between $s_L$ and $s_R$ becomes small. The muon $g-2$ anomaly can be simultaneously explained for appropriate difference between $s_L$ $(m_{E_1})$ and $s_R$ $(m_{E_2})$, and some regions are excluded by the diphoton signal data of the 125 GeV Higgs. Combined with the CDF $W$-mass, muon $g-2$ anomaly and other relevant constraints, the correct dark matter relic density is mainly obtained in two different scenarios: (i) $X_IX_I o Z'Z',~ SS$ for $m_{Z'}(m_S)

연구 동기 및 목표

• 표준모형에 비해 CDF $W$-보손 질량 측정에서 관측된 $7\sigma$ 이질현상을 해결하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 사용하여 뮤온의 비정상자기모멘트($g-2$)에서 관측된 $4.2\sigma$ 이질현상을 설명하기 위해.
• 동일한 모형 프레임워크 내에서 타당한 암흑물질 후보자 $X_I$ 가 적절한 잔류 밀도를 가지도록 실현하기 위해.
• 직접적인 LHC 검색 결과인 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 사건과 힉스 이중광자 신호를 활용하여 모형을 제약하기 위해.
• 세 가지 이질현상—$W$-질량, $g-2$, 암흑물질—이 동시에 충족되는 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 새로운 $Z'$ 게이지 보손, 대칭성 깨짐을 위한 스칼라 $S$, 암흑물질을 위한 복소 스칼라 $X$ 를 포함한 국소적 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭을 도입함.
• 스칼라 상태로 구성된 세 개의 벡터형 렙톤 상태를 추가: 단일 상태 $N$, 디블릿 상태 $E$, 프ime이트 상태 $E'$ 와 카이랄 혼합 매개변수 $s_L$ 및 $s_R$ 를 포함함.
• 벡터형 렙톤의 루프 보정을 통해 옵티컬 $S$, $T$, $U$ 매개변수를 계산하여 CDF $W$-질량 이격 현상을 설명함.
• $Z'$ 및 스칼라 $X$ 교환을 통한 뮤온 $g-2$ 기여를 계산하며, 이는 $s_L$ 및 $s_R$ 혼합에 의존함.
• $X_I X_I \to Z'Z'$, $SS$, 및 $E_1$, $E_2$, $N$, $X_R$ 를 포함한 공반화 과정을 통해 암흑물질 잔류 밀도를 계산함.
• LHC의 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 검색 결과와 125 GeV 힉스 이중광자 신호를 적용하여 일부 매개변수 영역을 배제함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터형 렙톤을 포함한 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 모형이 CDF $W$-질량 비정상현상과 뮤온 $g-2$ 이질현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 모든 $W$-질량과 $g-2$ 데이터를 적합하기 위해 필요한, 벡터형 렙톤 부문의 질량 분리와 혼합 매개변수($s_L$, $s_R$)는 무엇인가?
• RQ3 모두의 제약 조건을 동시에 충족하는 조건에서, 어떤 암흑물질 반응 또는 공반화 메커니즘이 적절한 잔류 밀도를 생성하는가?
• RQ4 직접적인 LHC 검색 결과인 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 사건은 벡터형 렙톤과 암흑물질 후보자의 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 125 GeV 힉스 이중광자 신호 또는 기타 실험적 제약 조건에 의해 배제되는 매개변수 영역은 어디인가?

주요 결과

• CDF $W$-질량 측정 결과는 $E_1$, $E_2$, $N$ 의 질량이 동일하거나 혼합 매개변수 $s_L = s_R = 0$ 인 경우를 불리하게 평가함.
• 만약 $s_L$ 과 $s_R$ 의 차이가 작아질수록 $E_1$ 과 $E_2$ 사이의 큰 질량 분리가 선호됨.
• 적절한 $s_L$ ( $m_{E_1}$ 과 연관됨) 와 $s_R$ ( $m_{E_2}$ 와 연관됨) 간의 차이가 존재할 경우 뮤온 $g-2$ 이질현상을 설명할 수 있으나, 큰 $Z'$ 결합 영역은 힉스 이중광자 데이터에 의해 배제됨.
• 적절한 암흑물질 잔류 밀도는 두 가지 주요 시나리오에서 달성됨: (1) $m_{Z'}$ 또는 $m_S < m_{X_I}$ 일 경우 $X_I X_I \to Z'Z'$ 또는 $SS$ 반응, (2) $\min(m_{E_1}, m_{E_2}, m_N, m_{X_R})$ 가 $m_{X_I}$ 와 거의 디제너레이트할 경우 공반화.
• LHC의 직접 검색 결과는 강력한 제약을 가함: $\min(m_{E_1}, m_{E_2}) - m_{X_I} > 300$ GeV 이면 가장 가벼운 벡터형 렙톤 질량이 500 GeV 이상이어야 함.
• 공반화 영역에 따라, $\min(m_{E_1}, m_{E_2}) - m_{X_I} < 60$ GeV 또는 $> 400$ GeV 이면 암흑물질 질량 $m_{X_I}$ 는 최소 100 GeV까지 낮아질 수 있음.