[论文解读] $h ightarrow\mu au$, muon g$-$2, and a possible interpretation of the Galactic Center gamma ray excess

Xuewen Liu, Ligong Bian+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文通过引入一个额外的伪标量，扩展了类型-III的两希格斯双重模型，同时解释了CMS实验中观测到的 $h \to \mu\mu$ 衰变过剩现象与μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$ 异常，且与 $\tau \to \mu\gamma$ 稀有味改变过程的约束保持一致。该伪标量还提供了一个可行的暗物质候选者，可解释银河系中心的伽马射线过剩现象，但需引入额外的湮灭通道才能达到观测到的暗物质遗迹密度。

ABSTRACT

In this work, we introduce an extra pseudoscalar into the Type-III two-Higgs doublet model (2HDM). In the framework of the extended 2HDM, the $h ightarrow\mu au$ excess measured at CMS and $(g-2)_{\mu}$ anomaly can be simultaneously explained within a parameter space which is not ruled out by the flavor-violating process $ au ightarrow\mu\gamma$. Moreover, existence of the pseudo-scalar provides an opportunity to interpret the Galactic Center gamma ray excess(GCE) which might be caused by dark matter(DM) pair annihilations. It is also noted that to meet the observed DM relic density, other DM annihilation channels are needed.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内统一解释CMS实验中观测到的 $h \to \mu\mu$ 衰变过剩现象与μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$ 异常。
• 确保该模型在稀有味改变过程（特别是 $\tau \to \mu\gamma$）的实验约束下依然具有物理可行性。
• 探讨所引入的伪标量是否可作为暗物质候选者，以解释银河系中心的伽马射线过剩现象。
• 评估该模型是否能通过引入额外的湮灭通道，重现观测到的暗物质遗迹密度。

提出的方法

• 通过引入一个获得真空期望值并能与CP奇异希格斯态混合的实标量单重态，扩展类型-III两希格斯双重模型，形成物理上的伪标量态。
• 利用包含新标量与费米子的一圈图，计算新伪标量对μ子反常磁矩的贡献。
• 在扩展模型中计算 $h \to \mu\mu$ 衰变宽度，包括CP偶希格斯与新标量之间的混合效应。
• 通过实验限制评估 $\tau \to \mu\gamma$ 的分支比，以约束该模型。
• 通过伪标量湮灭为标准模型末态（包括 $\gamma\gamma$、$\gamma Z$ 和 $ZZ$）的湮灭截面，计算暗物质遗迹密度。
• 引入额外的湮灭通道（如 $\gamma Z$ 和 $ZZ$），以满足观测到的暗物质遗迹密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类型-III 2HDM中引入伪标量，是否能同时解释 $h \to \mu\mu$ 衰变过剩与μ子 $g-2$ 异常？
• RQ2 该模型是否满足 $\tau \to \mu\gamma$ 的严格实验限制？
• RQ3 该伪标量能否作为暗物质候选者，解释银河系中心的伽马射线过剩？
• RQ4 为实现模型中观测到的暗物质遗迹密度，需要引入哪些额外的暗物质湮灭通道？

主要发现

• 扩展后的模型在满足 $\tau \to \mu\gamma$ 约束的参数空间内，成功解释了 $h \to \mu\mu$ 衰变过剩与μ子 $g-2$ 异常。
• 新标量态中的伪标量分量提供了一个可行的暗物质候选者，可通过 $\chi\chi \to \gamma\gamma$ 和 $\chi\chi \to \gamma Z$ 过程产生银河系中心的伽马射线过剩。
• 只有当引入额外的湮灭通道（如 $\gamma Z$ 和 $ZZ$）时，该模型的暗物质遗迹密度才与观测结果一致。
• 允许同时解释 $h \to \mu\mu$ 过剩与 $g-2$ 异常的参数空间，与 $\tau \to \mu\gamma$ 的约束兼容，表明该理论具有可行性。