[논문 리뷰] Combined explanations of $(g-2)_μ$, $(g-2)_e$ and implications for a large muon EDM

Andreas Crivellin, Martin Hoferichter|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 09.

Computational Physics and Python Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 뮤온과 전자의 비정상 자기율 변화($(g-2)_\mu$ 및 $(g-2)_e$)의 병합된 이상 현상에 대해 라이트-스피너의 초표준모형(BSM) 물리에서의 카이랄성 강화를 통해 초표준모형을 넘어서는 설명을 제안한다. 이와 동시에 뮤온 및 전자 섹터를 분리함으로써 $\mu\to e\gamma$ 제약 조건을 피한다. 이러한 분리 덕분에 전자 전기 dipole moment(EDM)와 관련 없이 큰 뮤온 전기 dipole moment($d_\mu$)가 가능해지며, 이는 페르미랩, J-PARC, 특히 PSI에서 계획 중인 전용 뮤온 EDM 실험에서 향후 검출이 가능하다.

ABSTRACT

We consider possible beyond-the-Standard-Model (BSM) effects that can accommodate both the long-standing tension in the anomalous magnetic moment of the muon, $a_μ=(g-2)_μ/2$, as well as the emerging $2.5σ$ deviation in its electron counterpart, $a_e=(g-2)_e/2$. After performing an EFT analysis, we consider BSM physics realized above the electroweak scale and find that a simultaneous explanation becomes possible in models with chiral enhancement. However, this requires a decoupling of the muon and electron BSM sectors to avoid the strong constraints from $μ o eγ$. In particular, this decoupling implies that there is no reason to expect the muon electric dipole moment (EDM) $d_μ$ to be correlated with the electron EDM $d_e$, avoiding the very stringent limits for the latter. While some of the parameter space for $d_μ$ favored by $a_μ$ could be tested at the $(g-2)_μ$ experiments at Fermilab and J-PARC, a dedicated muon EDM experiment at PSI would be able to probe most of this region.

연구 동기 및 목표

• 단일 초표준모형(BSM) 프레임워크 내에서 $(g-2)_\mu$의 동시에 발생하는 3–4\sigma 이격과 $(g-2)_e$의 2.5\sigma 이격을 설명하기 위해.
• $\mu\to e\gamma$에서의 강력한 제약 조건을 해결하기 위해 뮤온 및 전자 BSM 섹터를 분리함으로써.
• 실험적으로 철저히 제약을 받는 $d_e$의 경우에 대해 뮤온 전기 dipole moment($d_\mu$)의 영향을 탐색하기 위해.
• 향후 실험—페르미랩, J-PARC, 그리고 제안된 PSI 뮤온 EDM 실험—이 $(g-2)$ 이상 현상과 일치하는 매개변수 공간을 얼마나 잘 탐색할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 레프톤 dipole moment의 효과적 장이론(EFT) 분석을 수행하여, $(g-2)$ 및 EDM 기여에 기여하는 Wilson 계수 $c_R^{\ell\ell}$를 규명한다.
• $\mu\to e\gamma$에서의 제약 조건을 적용하여 상관된 $c_R^{e\mu}$를 가진 모델을 배제함으로써 전자 및 뮤온 BSM 섹터의 분리가 필요하다고 요구한다.
• 카이랄성 강화 메커니즘을 사용하여, MFV 기반 상관관계를 피하면서도 $\Delta a_\mu$와 $\Delta a_e$의 반대 부호의 큰 기여를 생성한다.
• $d_e$에서의 삼중순환 기여를 평가하여, $|d_\mu| \lesssim 0.9 \times 10^{-19}~e\text{cm}$의 간접적 제약 조건을 $90\%$ 신뢰수준에서 도출한다.
• 냉각된 스핀 기술을 사용하여 향후 실험의 $d_\mu$에 대한 민감도를 예측하며, 특히 제안된 PSI 실험에 초점을 맞춘다.
• $\Delta a_\mu$와 $c_R^{\mu\mu}$의 위상에 따른 허용 가능한 매개변수 공간을 매핑하여, 위상 값이 $\mathcal{O}(1)$일 경우 $d_\mu$가 매우 클 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 초표준모형(BSM) 모델이 $(g-2)_\mu$의 3–4\sigma 이상 현상과 $(g-2)_e$의 2.5\sigma 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 전자의 EDM($d_e$)가 실험적으로 철저히 제약을 받을 경우, 뮤온 전기 dipole moment($d_\mu$)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $\mu\to e\gamma$ 제약 조건을 피하면서도 $(g-2)_\mu$와 $(g-2)_e$에 모두 큰 기여를 생성할 수 있는가?
• RQ4 PSI에서 계획 중인 전용 뮤온 EDM 실험은 현재 $(g-2)_\mu$ 이상 현상에 의해 지지되는 매개변수 공간을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ5 카이랄성 강화는 왜 큰 $d_\mu$를 가능하게 하면서도 큰 $d_e$를 유도하지 않는가?

주요 결과

• 카이랄성 강화가 있는 모델에서, 뮤온 및 전자 BSM 섹터가 분리되어 있을 경우 $\Delta a_\mu \sim 270 \times 10^{-11}$과 $\Delta a_e \sim -0.88 \times 10^{-12}$의 동시 설명이 가능하다.
• 뮤온 및 전자 섹터의 분리로 인해 $d_\mu$와 $d_e$ 사이의 상관관계가 방지되며, 이로 인해 $|d_e| < 1.1 \times 10^{-29}~e\text{cm}$의 엄격한 제약 조건에도 불구하고 $d_\mu$가 매우 클 수 있다.
• 삼중순환 도식에서 유도된 $d_\mu$에 대한 간접적 제약 조건은 $|d_\mu| \lesssim 0.9 \times 10^{-19}~e\text{cm}$이며, 이는 BNL의 직접 제약보다 더 약한 제약이지만 향후 실험에서 이를 초월할 수 있다.
• 페르미랩과 J-PARC 실험은 $d_\mu$를 $10^{-21}~e\text{cm}$ 수준까지 탐색할 것으로 기대되며, PSI에서 계획 중인 전용 뮤온 EDM 실험은 이 민감도를 최소한 한 단계 이상 향상시킬 수 있다.
• 제안된 PSI 실험은 $c_R^{\mu\mu}$의 위상 값이 $\mathcal{O}(1)$인 영역—즉, $(g-2)_\mu$ 이상 현상과 일치하는 $d_\mu$의 최대값을 갖는 영역—의 대부분을 탐색할 수 있다.
• 현재의 $|d_e|$ 제약 조건은 매우 엄격하여 $d_\mu$를 제약하는 데 있어 직접적 $d_\mu$ 제약보다 지배적일 수 있지만, 향후 $d_\mu$ 실험은 이러한 간접적 제약를 초월할 것이다.