[논문 리뷰] The collider tests of a leptophilic scalar for the anomalous magnetic moments

Ning Chen, Bin Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 10–1000 GeV 범위의 질량과 O(0.1)–O(1) 수준의 렙톤으로의 양자수 상호작용을 갖는 CP 위반 성질을 가진 렙톤 친화성 스칼라 보편자를 제안한다. 이는 동시에 뮤온과 전자의 이례적 자기모멘트에서 관측된 이상 현상들을 설명한다. 향후 충돌기에서 측정 가능한 신호를 예측하며, 향후 초기 단계에서 HL-LHC, CEPC, 그리고 뮤온 충돌기가 OSSF 끝 상태와 진동 질량 절단을 통해 기준 질량 범위를 완전히 탐색할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

We study the anomalous muon and electron magnetic moments by introducing a scalar with CP-violating Yukawa couplings to the lepton sector. By fitting these two magnetic moments with the recent experimental measurements, we find that such a leptophilic scalar in the mass range of $\mathcal{O}(10)- \mathcal{O}(1000 )\, m GeV$ can be a possible source for the current experimental deviations from the Standard Model (SM) predictions, with $\mathcal{O}(0.1) - \mathcal{O}(1)$ Yukawa couplings. The current electron and muon EDM constraints to the general CP-violating Yukawa couplings are discussed. We propose to search such a leptophilic scalar mediated at the future high-luminosity LHC (HL-LHC) runs, as well as the high-energy lepton colliders, including the CEPC and the muon collider. Our results show that the leptophilic scalar in the mass range of $\mathcal{O}(10)- \mathcal{O}(1000 )\, m GeV$ can be fully probed by the future experimental searches at the HL-LHC and the lepton colliders at their early stages.

연구 동기 및 목표

• 오랜 기간 지속된 뮤온 이례적 자기모멘트(g-2)의 격차와 최근 관측된 전자 g-2 이상 현상에 대응하기 위해.
• 큰 플라버 변화 효과를 피하면서 렙톤에 우선적으로 결합하는 CP 위반 스칼라를 갖는 최소한의 뒷받침되지 않은 모델(BSM)을 구축하기 위해.
• 현재 전자 및 뮤온 전기 dipole moment(EDM) 제약 조건 하에서 그러한 스칼라의 타당성을 평가하기 위해.
• 향후 고광도 및 고에너지 렙톤 충돌기에서 스칼라의 직접 탐지 가능성을 위한 실용적인 충돌기 탐색 전략을 제안하기 위해.
• 제안된 모델의 전체 질량 범위에 걸쳐 HL-LHC, CEPC, 뮤온 충돌기의 발견 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 세 개의 렙톤 렙톤 세대에 대해 CP 위반 양자수 상호작용을 갖는 복소 스칼라 싱게틀을 도입한다.
• Δaμ = (274 ± 73)×10⁻¹¹ 과 Δae = (−87 ± 36)×10⁻¹⁴ 의 실험 데이터를 종합하여 양자수 상호작용과 스칼라 질량을 제약한다.
• 최신 ACME 및 BNL 제약 조건을 사용하여 전자 및 뮤온 EDM 측정 결과를 포함한다.
• HL-LHC 및 향후 렙톤 충돌기에서 4e, 4μ, 2e2μ 끝 상태에 대해 신호 및 표준모형 배경 사건을 시뮬레이션한다.
• 운동량 절단 적용: 진동 질량 창문 |Mℓℓ − mϕ| < 0.1mϕ, μμ 끝 상태에 대해 빠르기 비대칭성 |η(μ₁⁻)| > 0 과 |η(μ₁⁺)| < 0, ee 끝 상태에 대해 횡방향 운동량 절단 pT(e±) < 900 GeV.
• 각 충돌기에서의 신호 대 배경 의미도(S/√B)와 5σ 발견을 위한 필요 통합 광도를 사용하여 발견 감도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 CP 위반 렙톤 친화성 스칼라가 동시에 뮤온과 전자의 이례적 자기모멘트 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 현재 전자 및 뮤온 EDM 측정 결과로부터 유의미한 매개변수 공간 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 HL-LHC, CEPC, 향후 뮤온 충돌기에서 이 스칼라 모델은 얼마나 접근 가능한가?
• RQ4 각 충돌기에서 발견 가능성을 극대화하기 위한 최적의 끝 상태와 운동량 절단은 무엇인가?
• RQ5 특히 고질량 스칼라에 대해 향후 충돌기 운영의 초기 단계에서 모델을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 범위 10–1000 GeV, 양자수 상호작용 크기 0.1–1.0 수준의 렙톤 친화성 스칼라는 뮤온과 전자의 g-2 측정에서 관측된 편차를 동시에 설명할 수 있다.
• 3000 fb⁻¹ 광도를 갖는 HL-LHC는 4e 끝 상태를 통해 10–200 GeV 범위의 스칼라를 탐색할 수 있으며, Z-폴 영역을 제외한다.
• 240 GeV에서 운용되는 CEPC는 통합 광도 약 10⁻³에서 10⁻¹ fb⁻¹ 수준으로 4e, 4μ, 2e2μ 세 가지 끝 상태 모두를 탐색할 수 있으며, Z-폴 영역도 포함한다.
• 고질량 스칼라(200–1000 GeV)에 대해서는 3 TeV에서 운용되는 뮤온 충돌기가 초기 단계에서 통합 광도 약 10⁻⁴에서 1 fb⁻¹ 수준으로 기준 모델을 완전히 탐색할 수 있다.
• 10 fb⁻¹ 광도로 운용되는 뮤온 충돌기에서 mϕ = 900 GeV일 경우 4μ 끝 상태에서 신호의 의미도 S/√B ≈ 98.24에 도달한다.
• 배경 억제 효과가 뛰어나다: mϕ = 600 GeV에서 4μ 끝 상태에서 절단 적용 후 배경는 4.59에서 0.018 건으로 감소하지만, 신호 강도는 높은 수준을 유지한다.