[論文レビュー] A Model of Vector-like Leptons for the Muon $g-2$ and the $W$ Boson Mass

Hyun Min Lee, Kimiko Yamashita|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミュオンの g-2 異常と CDF II の W ボソン質量過剰を同時に説明するため、U(1)' 対称性をもつ標準模型の拡張を提案する。このモデルは、ベクトル励起レプトンと第二ヒッグスダブルレットを導入し、Z' 交換による g-2 の補正と、第二ヒッグスダブルレットの木レベルの寄与による W ボソン質量の補正を実現する。同時に、Z ボソンの崩壊幅とヒッグスカップリングの制約を満たす。

ABSTRACT

We consider a simple extension of the Standard Model (SM) with a vector-like lepton and a local $U(1)'$ symmetry, motivated by the recent experimental anomalies in the muon $g-2$ and the $W$ boson mass. The $U(1)'$ symmetry is spontaneously broken by the VEVs of the dark Higgs scalar and the second Higgs doublet, giving rise to the mixing between the muon and the vector-like lepton. As a result, we obtain the desirable corrections to the muon $g-2$ and the $W$ boson mass simultaneously, dominantly due to the $Z'$ gauge interactions for the vector-like lepton and the second Higgs doublet, respectively. We also discuss the consistency of the model with the $Z$ boson decay width, the Higgs couplings and the dilepton bounds.

研究の動機と目的

• ミュオン g-2 の持続的な 4.2σ のずれと、CDF II の W ボソン質量測定における 7.0σ の過剰を解決すること。
• 両方の異常を一度に是正する統一的な新物理フレームワークを、1つのローレンツ不変なモデル内で提示すること。
• Z ボソンの崩壊幅、ヒッグスカップリング、および二レプトン探索からの厳密な制約と整合性を保つこと。
• 1 TeV を超える重いベクトル励起レプトンと比較的軽い Z' ゲージボソンを、実験的に検出可能なシグネチャとして探ること。
• Z 崩壊におけるレプトンフラバー普遍性を維持しつつ、W ボソン崩壊とミュオン g-2 における非普遍的効果を許容すること。

提案手法

• U(1)' 電荷 -2 を持つ SU(2)L 状態のスカラーレプトン E を導入し、ダークヒッグススカラーフィールド φ および U(1)' 電荷 +2 を持つ第二ヒッグスダブルレット H' とカップリングする。
• 真空期待値（VEV）⟨φ⟩ = vφ、⟨H⟩ = v1/√2、⟨H'⟩ = v2/√2 を用いて、U(1)' 対称性と電弱対称性の自発的破れを実装する。
• 第二ヒッグスダブルレット H' と φ を介したミュオンとベクトル励起レプトンの混合を通じて、小規模なシー・スイッチ型ミュオン質量を生成する。
• Z' 交換ダイアグラムを用いて、ミュオン g-2 の補正を計算する。この際、ベクトル励起レプトンと H' カップリングが寄与する。
• 第二ヒッグスダブルレット H' の木レベルの寄与によって、W ボソン自己エネルギーが修正され、W ボソン質量の補正を計算する。
• LHC からの Z ボソン崩壊幅、ヒッグス信号強度、および二レプトン探索の制約を用いて、モデルのパラメータをグローバルフィットで制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの新物理モデルが、ミュオン g-2 の 4.2σ のずれと W ボソン質量の 7.0σ の過剰を同時に説明できるか。
• RQ2 ベクトル励起レプトンと U(1)' ゲージ対称性の導入が、g-2 と W ボソン質量の両方の補正をどのように生成するか。
• RQ3 Z ボソン崩壊幅とヒッグスカップリングといった精密電弱観測量と、どの程度整合性を保てるか。
• RQ4 二レプトン探索と Z および W ボソン崩壊におけるレプトンフラバー普遍性からの制約によって、パラメータ空間はどの程度制限されるか。
• RQ5 M_E > 1 TeV の重いベクトル励起レプトンが、実験的制約に反しないまま、g-2 と M_W に顕著な補正をもたらすことは可能か。

主な発見

• モデルは、Z' 交換による g-2 の補正と、第二ヒッグスダブルレットの木レベル寄与による W ボソン質量補正を同時に実現する。g-2 の補正は Z' 交換が支配的であり、W ボソン質量の補正は第二ヒッグスダブルレットの木レベル寄与が支配的である。
• シー・スイッチ機構により、ベクトル励起レプトンとの混合を通じて、0.511 MeV に相当する小さなミュオン質量が生成され、観測値と整合する。
• Z ボソン崩壊幅からの制約により、レプトン混合角は sinθL < 0.114（95%信頼区間）に制限され、レプトンフラバー普遍性の制約により sinθL < 0.030（95%信頼区間）に制限される。
• 二レプトン探索の制約と整合的であり、m_Z' = 1000 GeV、vφ = 200 GeV、sinβ = 0.2 の条件下で |Cu_L| = 3.1×10⁻⁸ である。
• M_E ≳ 1 TeV の条件下で、W ボソン質量への補正は ΔM_W ≲ 7.04 MeV（95%信頼区間）に制限され、CDF II 測定値と整合的である。
• モデルは、LHC ラン3および将来の実験で観測可能な相対的に軽い Z' ゲージボソンと、重いベクトル励起レプトンを予測する。