[논문 리뷰] The Tiny (g-2) Muon Wobble from Small-$\mu$ Supersymmetry

Sebastian Baum, Marcela Carena외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 140인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 MSSM 프레임워크 내에서 작고 중간 정도의 |µ| 값에서, 관측된 4.2σ 수준의 뮤온 비례 자기모멘트(g-2) 이질성을 설명하면서 동시에 Bino-유사 어둠성물질 후보도 수용하는 초대칭 모델을 제안한다. 작은 |µ| 범위에서 블라인드 스팟을 통해 직접 탐지 제약 조건을 피하고, 고광도 LHC 및 향후 충돌기에서 관측 가능한 가벼운 히iggsино와 추가 히iggs 보손을 예측하며, 향후 실험에서 검증 가능한 벤치마크 시나리오를 제공한다.

ABSTRACT

A new measurement of the muon anomalous magnetic moment has been reported by the Fermilab Muon g-2 collaboration and shows a $4.2\sigma$ departure from the most precise and reliable calculation of this quantity in the Standard Model. Assuming that this discrepancy is due to new physics, we concentrate on a simple supersymmetric model that also provides a dark matter explanation in a previously unexplored region of supersymmetric parameter space. Such interesting region can realize a Bino-like dark matter candidate compatible with all current direct detection constraints for small to moderate values of the Higgsino mass parameter $|\mu|$. This in turn would imply the existence of light additional Higgs bosons and Higgsino particles within reach of the high-luminosity LHC and future colliders. We provide benchmark scenarios that will be tested in the next generation of direct dark matter experiments and at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하여 뮤온 비례 자기모멘트(g-2)의 4.2σ 이질성을 설명한다.
• 이전에 탐색되지 않은 MSSM 매개변수 공간의 영역에서 타당한 어둠성물질 후보를 규명한다.
• 스핀-독립적 산란에 대한 현재의 직접 탐지 제약 조건과의 호환성을 확보한다.
• 고광도 LHC 및 향후 충돌기에서 관측 가능한 새로운 가벼운 히iggsино 및 히iggs 보손 상태를 예측한다.
• 차세대 직접 탐지 및 충돌기 실험에서 검증 가능한 벤치마크 시나리오를 제공한다.

제안 방법

• 작고 중간 정도의 히iggsино 질량 매개변수 |µ| 값을 중심으로 하는 최소 초대칭 표준모형(MSSM)을 채택한다.
• Bino-유사 어둠성물질의 스피너-독립적 직접 탐지 단면적을 억제하기 위해 블라인드 스폿 조건(µ × M1 < 0)을 활용한다.
• 추가 히iggs 보손과 히iggsино 상태를 포함한 히iggs 섹터에 대한 철저한 현상학적 분석을 수행한다.
• MSSM 프레임워크 내에서 카린초 및 히iggsино 루프 기여로 뮤온 g-2에 기여하는 기여도를 계산한다.
• (g-2) 이질성, 어둠성물질 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 모두 만족하는 벤치마크 포인트를 규명한다.
• 기존 및 향후 실험적 탐색 결과를 활용하여 고광도 LHC 및 향후 충돌기에서의 발견 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 |µ| 범위에서 MSSM 내에서 뮤온 (g-2) 이질성을 설명하면서 Bino-유사 어둠성물질 후보를 유지할 수 있는가?
• RQ2 MSSM에서의 블라인드 스폿 조건은 작은 |µ| 영역에서 Bino 어둠성물질의 직접 탐지 신호를 어떻게 억제하는가?
• RQ3 이 매개변수 영역에서 가벼운 히iggsино와 추가 히iggs 보손의 충돌기 서명은 어떠한가?
• RQ4 이 모델은 동시에 (g-2) 이질성, 어둠성물질 잔류 밀도, 직접 탐지 제약 조건을 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 이 모델은 고광도 LHC 및 향후 충돌기에서 검증 가능할까?

주요 결과

• 작고 중간 정도의 |µ| 범위에서, 블라인드 스폿 억제 덕분에 모든 현재의 직접 탐지 제약 조건과 호환되는 Bino-유사 어둠성물질 후보를 실현한다.
• (g-2) 이질성은 MSSM 내에서 카린초 및 히iggsино 루프 기여로 설명되며, 표준모형 예측과 4.2σ의 이질성이 존재한다.
• 가벼운 히iggsино 상태(mχ±1 ≲ 100 GeV)와 추가 히iggs 보손이 예측되며, 고광도 LHC에서 관측 가능하다.
• LZ 및 DARWIN과 같은 차세대 직접 탐지 실험에서 검증될 수 있는 벤치마크 시나리오가 규명되었다.
• HL-LHC에서 전자기 루프 생성 신호, 특히 삼전자 및 에너지 결손 상태에서 관측 가능한 신호를 예측한다.
• LHC 탐색 결과로는 매개변수 영역이 제약을 받지만, 현재의 제약 조건 내에서 타당하며, 향후 데이터에서 강력한 발견 가능성이 있다.