[논문 리뷰] The muon (g - 2) anomaly and a new light vector boson

Nikolai Krasnikov|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 표준모형에서 3.6σ의 편차로 관측된 뮤온 (g-2) 이질성은 새로운 경량 보손(Z′)이 뮤온과 약하게 결합함으로써 설명될 수 있다고 제안한다. 이는 $e^+e^-$ 공진형 검색 및 부족 에너지 실험에서의 실험적 제약을 피하면서도 이질성을 재현할 수 있는 무한한 수의 경량 보손을 포함하는 모형을 제안한다.

ABSTRACT

This mini review aims to outline the main experimental and theoretical results related with the search for a new light vector boson proposed as a solution of the muon $g-2$ anomaly. Additionally, I consider a model with infinite number of light vector bosons which can explain the anomaly, while still remaining consistent with current experimental bounds.

연구 동기 및 목표

• 3.6σ의 뮤온 비례 자기모멘트(g-2) 이질성을 새로운 경량 보손을 통해 설명하기 위해.
• 고정진 실험 및 충돌기 실험에서의 실험적 제약으로 인해 단일 Z′ 모형이 제약을 받는 문제를 다루기 위해.
• 단일 좁은 공진형을 생성하지 않으면서도 뮤온 g-2에 기여하는 무한한 수의 경량 보손을 포함하는 모형을 제안하기 위해.
• 현재 실험 제약, 특히 NA64와 BaBar에서의 제약과 일관되게 유지되는지 보여주기 위해.
• 무한한 보손장 스펙트럼이 운동에너지 혼합을 통해 압축된 추가 차원에서 기인할 수 있다는 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 1-loop 양자 보정을 사용하여 Z′ 보손이 뮤온 비례 자기모멘트에 기여하는 기여도를 계산한다. 함수 $ F(x) = \int_0^1 dz \frac{2z(1-z)^2}{(1-z)^2 + x^2 z} $ 를 사용하며, 여기서 $ x = m_{Z'}/m_\mu $ 이다.
• 무한한 수의 보손장 $ Z'_{\mu n} $ 을 포함하는 모형을 도입하며, 이를 효과적인 장 $ Z'_{\mu,\text{eff}} = \sum_n c_n Z'_{\mu n} $ 으로 조합하여 좁은 공진형 신호를 피한다.
• 표준모형 광자와 효과적인 Z′ 장 간의 운동에너지 혼합을 도입한다: $ \mathcal{L}_{\text{mix}} = \frac{\epsilon}{2} F^{\mu\nu} Z'_{\mu\nu} $, 이는 전자기 전류와의 결합을 가능하게 한다.
• 총 $ \delta a_\mu $ 기여도를 $ \delta a = \sum_n |c_n^2| \frac{\alpha'}{2\pi} F(m_{Z'_n}/m_\mu) $ 로 유도하며, 여기서 $ \alpha' = (g')^2/(4\pi) $ 이다.
• 5차원 보손장을 압축함으로써 무한한 보손장의 타워를 실현하기 위해 제5차원의 압축을 고려한다.
• NA64(비가시 Z′ 붕괴), BaBar( $ e^+e^- \to \gamma Z' $, $ Z' \to \text{비가시} $), Borexino(중성미자-전자 산란)에서의 제약을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3.6σ의 뮤온 (g-2) 이질성을 새로운 경량 보손(Z′)이 설명할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 전자기 전류와의 결합이 있는 단일 Z′ 모형이 현재 실험 제약 아래에서 왜 이질성을 설명하지 못하는가?
• RQ3 무한한 수의 경량 보손을 포함하는 모형이 $ e^+e^- $ 진동질량 스펙트럼에서의 공진형 검색을 피하면서도 뮤온 g-2 이질성을 재현할 수 있는가?
• RQ4 운동에너지 혼합이 Z′이 직접 탐지되지 않도록 하면서도 표준모형 전자기 전류와의 결합을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 NA64 및 BaBar와 같은 고정진 실험에서의 제약 조건을 충족하는 무한한 보손장 모형은 타당한가?

주요 결과

• $ m_{Z'} \ll m_\mu $ 인 단일 Z′ 보손은 뮤온 g-2 이질성을 설명하기 위해 $ \alpha' \approx (1.8 \pm 0.5) \times 10^{-8} $ 가 필요하다.
• $ m_{Z'} \gg m_\mu $ 인 경우, 필요한 결합 상수가 $ \alpha' \propto m_{Z'}^2/m_\mu^2 $ 의 형태로 증가하며, $ m_{Z'} \sim 1~\text{GeV} $ 에서는 $ \alpha' \approx 2.7 \times 10^{-8} $ 에 도달한다.
• 무한한 보손장 모형은 신호가 많은 넓은 공진형으로 분산되어 있기 때문에 $ e^+e^- $ 공진형 검색에서 탐지되지 않는다.
• NA64 실험은 $ m_{Z'} \leq 100~\text{MeV} $ 에서 비가시 Z′ 붕괴를 배제하지만, $ m_{Z'} \approx m_\pi $ 근처의 작은 영역은 여전히 타당하다.
• BaBar의 $ e^+e^- \to \gamma Z' $, $ Z' \to \text{비가시} $ 데이터는 $ m_{Z'} \approx m_\pi $ 영역을 완전히 배제하여 Z′-광자 혼합 모형의 마지막 틈을 메운다.
• 압축된 추가 차원에서 기인하는 무한한 보손장 모형은 현재의 제약 조건을 피하면서 관측된 $ \delta a_\mu $ 를 재현할 수 있는 일관된 프레임워크를 제공한다.