[論文レビュー] Lepton Anomalous Magnetic Moment with Singlet-Doublet Fermion Dark Matter in Scotogenic $U(1)_{L_μ-L_τ}$ Model

Debasish Borah, Manoranjan Dutta+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、電子およびミュオンの異常磁気モーメントを同時に説明しつつ、安定なシングレット-ダブルレットフェルミオンであるダークマター候補を維持するため、ベクトル励起レプトンダブルットと右巻きスティンクフェルミオンを導入した拡張されたスコトジェニック $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ モデルを提案する。このモデルは、電子 $(g-2)$ に対してチャラルに強化された負の寄与と、ミュオン $(g-2)$ に対して正の寄与を実現し、ニュートリノ質量、レプトンフラバー違反、ダークマターの物性的制約の下で両方の異常をうまく統合する。

ABSTRACT

We study an extension of the minimal gauged $L_μ-L_τ$ model in order to explain the anomalous magnetic moments of muon and electron simultaneously. Presence of an additional scalar doublet $η$ and an in-built $Z_2$ symmetry under which the right handed singlet fermions and $η$ are odd, leads to light neutrino mass in scotogenic fashion along with a stable dark matter candidate. In spite of the possibility of having positive and negative contributions to $(g-2)$ from vector boson and charged scalar loops respectively, the minimal scotogenic $L_μ-L_τ$ model can not explain muon and electron $(g-2)$ simultaneously while being consistent with other experimental bounds. We then extend the model with a vector like lepton doublet which not only leads to a chirally enhanced negative contribution to electron $(g-2)$ but also leads to the popular singlet-doublet fermion dark matter scenario. With this extension, the model can explain both electron and muon $(g-2)$ while being consistent with neutrino mass, dark matter and other direct search bounds. The model remains predictive at high energy experiments like collider as well as low energy experiments looking for charged lepton flavour violation, dark photon searches, in addition to future $(g-2)$ measurements.

研究の動機と目的

• 長年のミュオンの異常磁気モーメント ($a_\mu$) の乖離と、新たに浮上した電子磁気モーメント ($a_e$) の緊張を、単一の統一的枠組み内で解決すること。
• 最小限のスコトジェニック $L_\mu - L_\tau$ モデルにベクトル励起レプトンダブルットを追加し、$a_e$ にチャラルに強化された負の寄与を生成することで、通常は困難な状況を克服すること。
• 内蔵された $Z_2$ 対称性により、安定なシングレット-ダブルレットフェルミオンダークマター候補を維持し、観測されたダークマターの残存密度および直接検出限界と整合させること。
• 1ループのスコトジェニックメカニズムによるニュートリノ質量生成と、レプトンフラバー違反、ダークフォトン探索、および将来の $g-2$ 測定と整合性を保つこと。

提案手法

• $Z_2$ 奇性を有するベクトル励起レプトンダブルットを導入し、チャージドスカラーおよびベクトルボソンを含むループ図を通じて、電子の異常磁気モーメントにチャラルに強化された負の寄与を生成する。
• 最小限のスコトジェニック $L_\mu - L_\tau$ モデルに、3つの右巻きニュートリノとスカラーダブルット $\eta$ を追加し、$Z_2$ 対称性がダークマター候補の安定性を保証するとともに、1ループで軽いニュートリノ質量を生成する。
• $(\psi_R^0)^c$, $\psi_L^0$, および $N_1^c$ の基底におけるフェルミオン質量行列を構築し、直交変換によって対角化し、最も軽い質量固有状態をダークマター候補の主要成分として同定する。
• ゲージカイネティック項とユカワ項の回転を通じて、ダークマター、標準模型レプトン、およびゲージボソン（$Z$、$W^\pm$、$A$）間の物理的混合角および結合定数を導出する。
• チャージドスカラーおよびベクトルボソンのループから生じる $a_e$ および $a_\mu$ への寄与（干渉項を含む）を計算し、ニュートリノ質量、LFV、直接検出実験からの制約を課す。
• 全現象的制約を満たすためのグローバルフィットを実施：$a_\mu$ の乖離、$a_e$ の異常、$m_\ \nu \leq 0.1$ eV、$\mu \to e\gamma$ 分岐比、ダークマターの残存密度。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限のスコトジェニック $L_\mu - L_\tau$ モデルは、ミュオンおよび電子の異常磁気モーメントの両方の異常を同時に説明できるか？
• RQ2 ベクトル励起レプトンダブルットの追加が、$a_e$ にチャラルに強化された負の寄与を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 ベクトル励起ダブルットの導入は、特にシングレット-ダブルレットフェルミオンのシナリオにおいて、$L_\mu - L\tau$ モデルにおけるダークマターの物性的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 レプトンフラバー違反、ダークフォトン探索、および将来の $g-2$ 実験からの制約と、どの程度整合性を保てるか？
• RQ5 $a_\mu$ および $a_e$ の両方の異常を同時に満たしつつ、ニュートリノ質量およびダークマターの制約とも整合する、有効なパラメータ空間の領域はどこか？

主な発見

• 最小限のスコトジェニック $L_\mu - L_\tau$ モデルでは、ループ寄与の符号の矛盾により、ミュオンおよび電子の $(g-2)$ 異常を同時に説明することは不可能である。
• $Z_2$ 奇性を有するベクトル励起レプトンダブルットの導入により、電子の異常磁気モーメントにチャラルに強化された負の寄与が実現可能となり、これは電子磁気モーメントの $2.4\sigma$ の乖離を解消するために不可欠である。
• 内蔵された $Z_2$ 対称性により、安定なシングレット-ダブルレットフェルミオンダークマター候補が実現され、混合角 $\alpha_{12}$ および $\alpha_{13}$ が小さい場合には、最も軽い中性フェルミオンが主に $N_1$ で構成される。
• モデルは、$a_\mu \approx 251 \times 10^{-11}$ および $a_e \approx -87 \times 10^{-14}$ を $2.4\sigma$ の緊張範囲内でうまく説明でき、ニュートリノ質量の制約（$m_\nu \leq 0.1$ eV）および $\mu \to e\gamma$ 分岐比の制限とも整合する。
• モデルは高エネルギー加速器でも予測可能であり、ダークフォトン探索および将来の $g-2$ 測定と整合性を保ち、特に $L_\mu - L_\tau$ ゲージボソンの結合の文脈で顕著である。
• ダークマターの残存密度が観測値と一致する必要があることから、パラメータ空間は制約を受ける。$M_1 \sim 100$ GeV および $m_D \sim 100$ GeV、$Y_\psi \sim 0.1$ の領域に、有効なパラメータ領域が存在する。