[논문 리뷰] New physics explanations of $a_\mu$ in light of the FNAL muon $g-2$ measurement

Peter Athron, Csaba Balázs외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 343인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 새로운 페르미랩 $g-2$ 측정을 바탕으로 뮤온의 비정상적인 자기모멘트 $a_\mu$에 대한 새로운 물리학적 설명을 조사한다. 분석 결과, 뮤온의 자기모멘트와 암흑물질 제약 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 것은 키클리티스 히iggs 이중체 및 렙토쿼크 모형과 같은 특정 이중체 모형, 또는 MSSM에서의 빈오-유사 LSP 뿐이며, LHC 및 암흑물질 제약 조건으로 인해 많은 다른 시나리오들은 배제된다.

ABSTRACT

The Fermilab Muon $g-2$ experiment recently reported its first measurement of the anomalous magnetic moment $a_\mu^{ extrm{FNAL}}$, which is in full agreement with the previous BNL measurement and pushes the world average deviation $\Delta a_\mu^{2021}$ from the Standard Model to a significance of $4.2\sigma$. Here we provide an extensive survey of its impact on beyond the Standard Model physics. We use state-of-the-art calculations and a sophisticated set of tools to make predictions for $a_\mu$, dark matter and LHC searches in a wide range of simple models with up to three new fields, that represent some of the few ways that large $\Delta a_\mu$ can be explained. In addition for the particularly well motivated Minimal Supersymmetric Standard Model, we exhaustively cover the scenarios where large $\Delta a_\mu$ can be explained while simultaneously satisfying all relevant data from other experiments. Generally, the $\Delta a_\mu$ result can only be explained by rather small masses and/or large couplings and enhanced chirality flips, which can lead to conflicts with limits from LHC and dark matter experiments. Our results show that the new measurement excludes a large number of models and provides crucial constraints on others. Two-Higgs doublet and leptoquark models provide viable explanations of $a_\mu$ only in specific versions and in specific parameter ranges. Among all models with up to three fields, only models with chirality enhancements can accommodate $a_\mu$ and dark matter simultaneously. The MSSM can simultaneously explain $a_\mu$ and dark matter for Bino-like LSP in several coannihilation regions. Allowing under abundance of the dark matter relic density, the Higgsino- and particularly Wino-like LSP scenarios become promising explanations of the $a_\mu$ result.

연구 동기 및 목표

• 최근 페르미랩 $g-2$ 측정이 초표준모형 물리학에 끼치는 영향을 평가하기 위해.
• 최대 세 개의 새로운 장을 포함하는 타당한 모형을 식별하기 위해, $4.2\sigma$ 수준의 $a_\mu$ 이심을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• $a_\mu$ 설명이 암흑물질 잔류 밀도 및 LHC 탐색 결과와 얼마나 호환되는지 평가하기 위해.
• 최소한의 초대칭 표준모형(MSSM)에서 $a_\mu$와 암흑물질을 동시에 설명할 수 있는 시나리오를 체계적으로 탐색하기 위해.
• 모든 $a_\mu$, 암흑물질, LHC 데이터의 병합 제약 조건 하에서 살아남는 모형을 규명하기 위해.

제안 방법

• 최대 세 개의 새로운 장을 포함하는 다양한 단순화 모형에서 $a_\mu$를 최신 기술로 계산한다.
• 매개변수 공간 전역에서 $a_\mu$, 암흑물질 잔류 밀도, LHC 신호를 예측하기 위한 정교한 툴킷을 적용한다.
• LHC 탐색 및 직접/간접 암흑물질 탐지 실험으로부터 엄격한 제약 조건을 적용한다.
• 큰 $a_\mu$ 기여를 위해 필수적인 카이랄리티 전환 강화를 가진 모형에 집중한다.
• Bino-유사, 히iggs이노-유사, Wino-유사 LSP가 $a_\mu$를 설명할 수 있는 공존형 영역을 식별하기 위해 MSSM 매개변수 공간을 광범위하게 스캔한다.
• 모형 타당성을 평가하기 위해 암흑물질 잔류 밀도의 과다 및 과소 공급 모두를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최대 세 개의 새로운 장을 포함하는 어떤 단순화 모형이 표준모형에서의 $4.2\sigma$ 수준의 $a_\mu$ 이심을 설명할 수 있는가?
• RQ2 LHC 탐색 및 암흑물질 실험의 제약 조건은 $a_\mu$ 설명을 위한 타당한 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ3 카이랄리티 강화 상호작용은 다른 데이터와의 일관성을 유지하면서도 $a_\mu$ 설명을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 MSSM에서 어떤 LSP 유형(Bino, 히iggs이노, Wino)이 $a_\mu$와 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 최근 $a_\mu$ 측정 결과를 고려할 때, 두 히iggs 이중체 또는 렙토쿼크 모형의 특정 변종 중 살아남는 것은 있는가?

주요 결과

• 큰 $a_\mu$ 이심을 설명하기 위해서는 새로운 입자 질량이 작고/또는 결합 상수가 크기 마련이며, 이는 종종 LHC 제약 조건과 충돌한다.
• 오직 카이랄리티 강화를 가진 모형만이 $a_\mu$와 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있다.
• 두 히iggs 이중체 및 렙토쿼크 모형은 특정 매개변수 범위와 특정 모형 변종에서만 $a_\mu$를 설명할 수 있다.
• MSSM에서 Bino-유사 LSP는 여러 공존형 영역에서 $a_\mu$와 암흑물질을 설명할 수 있다.
• 암흑물질 잔류 밀도가 과소공급일 경우, 히iggs이노-유사 및 특히 Wino-유사 LSP 시나리오는 유망한 설명이 된다.
• 최근 $a_\mu$ 측정 결과로 이전에 고려된 많은 모형이 배제되었으며, 새로운 물리학의 타당한 매개변수 공간은 크게 제약을 받았다.