[論文レビュー] Muon $g-2$ Anomaly in Anomaly Mediation

Wen Yin|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ウィノが主要なダークマター成分である異常媒光対称性破れ（AMSB）のシナリオにおいて、ミューオン $g-2$ 異常がどのように説明可能かを調査する。$4.2\sigma$ の乖離を説明するには、$L \sim m_{3/2}$ の大きなヒッグスィノしきい値補正が不可欠であることが示された。これがない場合、異常は説明できない。$L$ が十分に大きいと、グルーギノ、ビノ、ウィノの質量はそれぞれ $\leq 4\,\text{TeV}$、$\leq 2\,\text{TeV}$、$\leq 2\,\text{TeV}$ に制約され、コライダーおよびダークマターの観測にテスト可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

The long-standing muon $g-2$ anomaly has been confirmed recently at the Fermilab. The combined discrepancy from Fermilab and Brookhaven results shows a difference from the theory at a significance of 4.2 $σ$. In addition, the LHC has updated the lower mass bound of a pure wino. In this letter, we study to what extent the $g-2$ can be explained in anomaly mediation scenarios, where the pure wino is the dominant dark matter component. To this end, we derive some model-independent constraints on the particle spectra and $g-2$. We find that the $g-2$ explanation at the 1$σ$ level is driven into a corner if the higgsino threshold correction is suppressed. On the contrary, if the threshold correction is sizable, the $g-2$ can be explained. In the whole viable parameter region, the gluino mass is at most $2-4\,$TeV, the bino mass is at most $2\,$TeV, and the wino dark matter mass is at most $1-2\,$TeV. If the muon $g-2$ anomaly is explained in the anomaly mediation scenarios, colliders and indirect search for the dark matter may find further pieces of evidence in the near future. Possible UV models for the large threshold corrections are discussed.

研究の動機と目的

• 観測された $4.2\sigma$ のミューオン $g-2$ 異常が、異常媒光対称性破れ（AMSB）のシナリオでどの程度説明可能かを特定すること。
• 純粋なウィノが主要なダークマター成分であるAMSBrにおいて、粒子スペクトルおよび $g-2$ に関するモデルに依存しない制約を同定すること。
• ヒッグスィノしきい値補正（$L$）が $g-2$ 異常の妥当な説明を可能にする役割を検討すること。
• $g-2$ 異常およびコライダー／天体物理学的制約と両立するスパーティクル質量の上限を導出すること。
• 大きな $L$ を生成しつつ、フレーバーおよびCP対称性の破れの問題を回避するUV完全モデルを探索すること。

提案手法

• ウィノ、ビノ、グルーギノ、スミューオンを含む有効理論を導出し、異常媒光におけるミューオン $g-2$ を計算する。
• $g-2$ を制御する主要なパラメータとして、ヒッグスィノしきい値補正 $L = \mu \sin 2\beta \frac{m_A^2}{|\mu|^2 - m_A^2} \log \left( \frac{|\mu|^2}{m_A^2} \right)$ を用いる。
• 純粋なウィノ質量に対するLHCの最新の下限とスミューオンの真空安定性の境界を用いて、パラメータ空間を制約する。
• $M_{\text{wino}} \propto 10^{-3} c_2 (m_{3/2} + L)$ に注目したゲージノ質量スペクトルのモデルに依存しない解析を実施し、妥当な領域を同定する。
• シーケストラ・レプトン多重状態やヒッグス異常媒光対称性を用いたUV完全モデルを検討し、フレーバー破れや真空崩壊を回避しながら大きな $L$ を実現する方法を検討する。
• CP位相が $L$ に与える影響がミューオンおよび電子の電気電気双極子モーメント（EDM）に与える影響を評価し、実験的制約と整合性があるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋なウィノがダークマターである異常媒光対称性破れ（SUSY）のシナリオにおいて、$4.2\sigma$ のミューオン $g-2$ 異常を説明できるか？
• RQ2 $g-2$ 異常の $1\sigma$ の説明を達成するには、ヒッグスィノしきい値補正 $L$ がどの程度の大きさである必要があるか？
• RQ3 コライダー制約と両立する $g-2$ 異常と整合するグルーギノ、ビノ、ウィノ質量の上限は何か？
• RQ4 シーケストラ・ミューオン多重状態やヒッグス多重状態を用いたUVモデルは、フレーバー破れやCP対称性の破れの制約に反しない形で、大きな $L$ をどのように生成するか？
• RQ5 $g-2$ 異常がAMSBにおける大きな $L$ によって説明される場合、コライダーおよび間接的ダークマター検出に期待されるシグネチャは何か？

主な発見

• ヒッグスィノしきい値補正 $L$ が抑制されている（$L \sim 0$）場合、$g-2$ 異常は $1\sigma$ 水準で説明できない。
• 大きな $L \sim m_{3/2}$ が $g-2$ 異常を説明するために必要であり、$L$ が重力ソリトン質量 $m_{3/2}$ を上回ることが支配的である。
• 妥当な領域では、グルーギノ質量は $\leq 4\,\text{TeV}$、ビノ質量は $\leq 2\,\text{TeV}$、ウィノダークマター質量は $\leq 2\,\text{TeV}$ に制限される。
• 本シナリオは $M_{\text{wino}} \propto m_{3/2} + L$ という特徴的なゲージノ質量関係を予測し、コライダーで「決定的証拠」となる可能性がある。
• シーケストラ・ミューオン多重状態やヒッグス媒光対称性を用いたUVモデルは、レプトンフレーバー破れおよび電子EDMを抑制しながら大きな $L$ を生成できる。
• $L$ にCP位相が存在すると、ミューオンEDMが非ゼロとなり、J-PARCでテスト可能であり、本シナリオの決定的証拠となる可能性がある。