[논문 리뷰] Upper bound on the smuon mass from vacuum stability in the light of muon $g-2$ anomaly

So Chigusa, Takeo Moroi외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 70인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 뮤온 g−2 비일치와 전자기약한 진공 안정성의 조합을 통해 가장 가벼운 스뮤폰 질량에 상한을 도출한다. 1차 고도에서의 가짜 진공 붕괴 확률 계산을 통해 양자 보정이 정규화를 고려한 결과, 관측된 뮤온 g−2 비일치를 설명하면서도 진공 안정성을 유지하기 위해 스뮤폰 질량은 1.20–1.68 TeV 이하여야 하며, 이는 1σ 또는 2σ 신뢰수준에 따라 달라진다. 특히 힉스티노 질량 매개변수 µ가 클 경우 더욱 그렇다.

ABSTRACT

We derive an upper bound on the smuon mass assuming that the muon $g-2$ anomaly is explained by the supersymmetric (SUSY) contribution. In the minimal SUSY standard model, the SUSY contribution to the muon $g-2$ is enhanced when the Higgsino mass parameter is large. Then, the smuon-smuon-Higgs trilinear coupling is enhanced, which may destabilize the electroweak vacuum. We calculate precisely the decay rate of the electroweak vacuum in such a case. We include one-loop effects which are crucial to determine the overall normalization of the decay rate. Requiring that the theoretical prediction of the muon anomalous magnetic moment is consistent with the observed value at the $1$ and $2\sigma$ levels (equal to the central value of the observed value), we found that the lightest smuon mass should be smaller than $1.38$ and $1.68\ { m TeV}$ ($1.20\ { m TeV}$) for $ an\beta=10$ (with $ an\beta$ being the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs bosons), respectively, and the bound is insensitive to the value of $ an\beta$.

연구 동기 및 목표

• . 이 논문은 관측된 뮤온 g−2 비일치와 일치하는 조건에서 MSSM 내 가장 가벼운 스뮤폰 질량에 강력한 상한을 도출하는 것을 목표로 한다.
• 큰 힉스티노 질량 매개변수(µ)는 초대칭 기여를 증가시켜 뮤온 g−2에 영향을 주지만, 증가한 삼중항 결합으로 인해 전자기약한 진공을 불안정하게 만들 수 있다는 도전 과제를 다룬다.
• 특히 빈오-스뮤폰 루프가 지배하는 영역에서 뮤온 g−2 비일치가 초대칭 기여로 설명될 수 있는 영역에 집중한다.
• 보다 정확하고 척도 불변성을 확보하기 위해 이전의 나무 수준 추정치보다 1차 고도 양자 보정을 포함한 진공 붕괴 확률 계산을 개선하고자 한다.
• 목표는 뮤온 g−2 비일치를 설명하고 장수명의 전자기약한 진공을 유지하는 조건 하에서 스뮤폰 질량을 제약하는 데 있다.

제안 방법

• . 분석은 저에너지에서 MSSM을 모델링하기 위해 효과적 장 이론(EFT) 프레임워크를 사용하며, 관련된 스칼라 및 게이지 섹터에 집중한다.
• 가짜 진공 붕괴 확률을 계산하는 최신 1차 고도 방법을 활용하며, 번스 솔루션에 연결된 필드의 양자 보정을 포함한다.
• 붕괴 확률은 효과적 작용 S_eff를 사용하여 계산되며, 차원이 있는 계수 A를 고정하고 주로 로그 수준에서 척도 의존성을 상쇄하는 1차 고도 보정을 포함한다.
• 스뮤폰-스뮤폰-히긴스 삼중항 결합은 µ가 클수록 증가하며, 이는 진공의 비안정성에 영향을 미친다.
• 상한은 초대칭 기여가 뮤온 비정상 자석모멘트 a(SUSY)_µ가 관측된 불일치 ∆a_µ와 1σ 및 2σ 수준에서 일치하도록 요구함으로써 유도된다.
• 결과는 일정한 S_eff에 대한 등고선으로 제시되며, m_R/m_L와 tan β를 변화시키면서 가장 가벼운 스뮤폰 질량에 대한 제약가능성을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 만약 뮤온 g−2 비일치가 초대칭 기여로 설명되고 전자기약한 진공 안정성이 유지된다면 MSSM에서 가장 가벼운 스뮤폰 질량의 최대 允許 질량은 얼마인가?
• RQ2 . 가짜 진공 붕괴 확률에 대한 1차 고도 양자 보정은 나무 수준 추정치에 비해 스뮤폰 질량 상한의 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 . 스뮤폰 질량 상한은 오른쪽과 왼쪽 스뮤폰 질량 비율(m_R/m_L)과 힉스 혼합 매개변수 tan β에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 . 큰 힉스티노 질량 매개변수 µ는 g−2 기여와 진공 불안정성 양쪽을 증가시키므로, 스뮤폰 질량 상한에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 . a_μ에 대한 초대칭 기여에 대한 1σ 및 2σ 신뢰수준 요구사항이 결과적으로 스뮤폰 질량 상한에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• . 관측된 뮤온 g−2 비일치를 중심값(0σ)에서 설명하기 위해 가장 가벼운 스뮤폰 질량은 1.20 TeV 이하여야 한다. 이때 tan β = 10이다.
• . 1σ 수준에서는 tan β = 10일 때 상한이 1.38 TeV으로 증가하고, 2σ 수준에서는 1.68 TeV가 된다.
• . tan β = 50일 경우 상한은 1.18 TeV(0σ), 1.37 TeV(1σ), 1.66 TeV(2σ)로 나타나며, tan β에 대해 민감도가 낮다.
• . 1차 고도 계산은 나무 수준 대비 진공 붕괴 확률 추정치를 약 O(10) 배 감소시켜 질량 상한에 상당한 영향을 미친다.
• . 오른쪽과 왼쪽 스뮤폰 질량이 일치할 때 상한이 최대가 되며, 이는 질량 분리의 결정적 역할을 함을 시사한다.
• . 결과적으로, µ가 매우 클 경우, 심지어 큰 µ를 가정하더라도 스뮤폰 질량이 약 ~1.7 TeV를 초과하는 것은 뮤온 g−2 비일치를 MSSM에서 설명할 수 없으며, 진공 안정성을 위반하게 된다.