[논문 리뷰] Understanding the MiniBooNE and the muon $g-2$ anomalies with a light $Z'$ and a second Higgs doublet

Waleed Abdallah, Raj Gandhi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 02.

Computational Physics and Python Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 $U(1)_{B-3L_\tau}$ 또는 $U(1)_B$ 대칭으로부터 유도된 경량 $Z'$ 보손과 이중 힉스 듀블릿 섹터를 통합한 모델을 제안하여 미니부오네 전자 유사 초과 현상과 뮤온의 $g-2$ 이질현상을 동시에 설명한다. $Z'$ 보손은 어둠의 싱เก트론 스칼라를 통해 질량을 생성하며, 두 개의 가벼운 CP-짝성 스칼라를 포함하는 확장된 힉스 섹터는 미니부오네에서 관측된 에너지 및 각도 분포를 정확히 재현하고, 뮤온의 비정상 자기모멘트와도 양호한 일치를 이룬다.

ABSTRACT

Two of the most widely studied extensions of the Standard Model (SM) are $a)$ the addition of a new $U(1)$ symmetry to its existing gauge groups, and $b)$ the expansion of its scalar sector to incorporate a second Higgs doublet. We show that when combined, they allow us to understand the electron-like event excess seen in the MiniBooNE (MB) experiment as well as account for the observed anomalous values of the muon magnetic moment. A light $Z'$ associated with an additional $U(1)$ coupled to baryons and to the dark sector, with flavour non-universal couplings to leptons, in conjunction with a second Higgs doublet is capable of explaining the MB excess. The $Z'$ obtains its mass from a dark singlet scalar, which mixes with the two Higgs doublets. Choosing benchmark parameter values, we show that $U(1)_{B-3L_ au}$, which is anomaly-free, and $U(1)_B$, both provide (phenomenologically) equally good solutions to the excess. We also point out the other (anomaly-free) $U(1)$ choices that may be possible upon fuller exploration of the parameter space. We obtain very good matches to the energy and angular distributions for neutrinos and anti-neutrinos in MB. The extended Higgs sector has two light CP-even scalars, $h'$ and $H$, and their masses and couplings are such that in principle, both contribute to help explain the MB excess as well as the present observed value of the muon $g-2$. We discuss the constraints on our model as well as future tests. Our work underlines the role that light scalars may play in understanding present-day low-energy anomalies. It also points to the possible existence of portals to the dark sector, i.e., a light gauge boson field $(Z')$ and a dark neutrino which mixes with the active neutrinos, as well as a dark sector light scalar which mixes with the extended Higgs sector.

연구 동기 및 목표

• 새로운 $U(1)$ 게이지 대칭과 제2 힉스 듀블릿을 통해 오랫동안 지속된 미니부오네 전자 유사 사건 초과 현상을 해결하기 위해.
• 단일 이론적 프레임워크 내에서 관측된 뮤온의 비정상 자기모멘트($g-2$) 격리 현상에 설명을 제공하기 위해.
• 바리온과 어둠의 섹터에 결합되며 렙톤에 대한 맛-비균일한 결합을 가지는, 비어 있는 이상성 없는 $U(1)$ 대칭—특히 $U(1)_{B-3L_\tau}$ 및 $U(1)_B$—를 탐색하기 위해.
• 가벼운 스칼라, 특히 힉스 섹터와 혼합하는 어둠의 싱게트론 스칼라의 역할이 관측된 이질현상의 매개체로 기여하는 방식을 조사하기 위해.
• 미래 실험 검증을 위한 테스트 가능한 서명과 제약 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 바리온 수와 어둠의 섹터에 결합된 경량 $Z'$ 보손을 가진 새로운 $U(1)$ 게이지 대칭을 도입하여 이론적 이상성 없음을 확보하기 위해.
• 표준모형 힉스와 혼합하는 두 개의 가벼운 CP-짝성 스칼라($h'$ 및 $H$)를 포함하는 이중 힉스 듀블릿 모델(2HDM)을 구현하기 위해.
• 어둠의 싱게트론 스칼라와의 혼합을 통해 $Z'$ 질량을 동적으로 생성하며, 이는 어둠의 섹터와의 상호작용을 매개하기도 한다.
• 렙톤에 대한 맛-비균일한 결합을 사용하여 미니부오네 초과 현상을 설명하면서도 $\mu \to e$ 변환 제약 조건을 유지하기 위해.
• 미니부오네에서 중성미자 및 반중성미자의 에너지 및 각도 분포를 $Z'$ 매개 $\nu_e$-유사 산란 과정을 시뮬레이션하여 분석하기 위해.
• 모든 데이터와 양호한 일치를 보이는 우수한 현상학적 해를 제공하는 $U(1)_{B-3L_\tau}$ 및 $U(1)_B$ 모두를 고려한 벤치마크 스캔을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 $U(1)$ 확장에서 유도된 경량 $Z'$ 보손이 다른 저에너지 제약 조건과 일치하면서도 미니부오네 전자 유사 사건 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 제2 힉스 듀블릿의 포함이 뮤온의 $g-2$ 이질현상과 미니부오네 초과 현상을 동시에 설명할 수 있는 능력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이 맥락에서 $U(1)_{B-3L_\tau}$와 $U(1)_B$가 타당한 $U(1)$ 대칭으로서 현상학적 차이점과 유사점은 무엇인가?
• RQ4 어둠의 싱게트론 스칼라와 두 힉스 듀블릿 간의 혼합이 $Z'$ 질량 생성과 필요한 상호작용 매개에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 이 모델의 테스트 가능한 예측, 특히 향후 중성미자 및 $g-2$ 실험에서의 신호는 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 중성미자 및 반중성미자에 대해 미니부오네 전자 유사 초과 현상의 에너지 및 각도 분포를 높은 정밀도로 재현한다.
• $Z'$ 보손은 바리온과 어둠의 섹터에 결합되어 관측된 초과 현상에 대한 타당한 포털을 제공하며, $U(1)_{B-3L_\tau}$ 및 $U(1)_B$ 모두가 동일한 수준의 현상학적 적합도를 보인다.
• 두 개의 가벼운 CP-짝성 스칼라($h'$ 및 $H$)를 포함하는 확장된 힉스 섹터는 루프 및 고리 수준 기여를 통해 미니부오네 초과 현상과 뮤온의 $g-2$ 이질현상에 기여한다.
• $Z'$ 질량은 어둠의 싱게트론 스칼라와의 혼합을 통해 생성되며, 이는 어둠의 섹터와의 결합을 가능하게 하고 암흑물질 및 어둠의 중성미자에 대한 포털을 제공한다.
• 모델은 $\mu \to e$ 변환 및 기타 저에너지 과정의 기존 제약 조건과 일치하며, 타당한 매개변수 영역이 확인되었다.
• 이 프레임워크는 경량 $Z'$, 활성 중성미자와 혼합하는 어둠의 중성미자, 그리고 힉스 섹터와 혼합하는 어둠의 스칼라를 포함하는 어둠의 섹터 포털 존재를 시사하며, 향후 실험에 대한 테스트 가능한 서명을 제공한다.