[논문 리뷰] Probing the Dark Axion Portal with Muon Anomalous Magnetic Moment

Shao-Feng Ge, Xiao-Dong Ma외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 73인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩에서 측정된 4.2σ 수준의 뮤온 비례 자기모멘트 이질현상을 설명하기 위해 차원-5 연산자를 통해 양자색입자(ALP)와 어둠의 보스론이 상호작용하는 어둠의 아키온 포털 시나리오를 제안한다. ALP 기여와 어둠의 보스론 기여 간의 간섭 덕분에, 각각의 입자가 별개로는 이 비일관성을 설명할 수 없는 타당한 매개변수 영역이 가능해지며, 이는 표준모형을 초월한 타당한 모델 영역을 크게 확장시킨다.

ABSTRACT

We propose a new scenario of using the dark axion portal at one-loop level to explain the recently observed muon anomalous magnetic moment by the Fermilab Muon g-2 experiment. Both axion/axion-like particle (ALP) and dark photon are involved in the same vertex with photon. Although ALP or dark photon alone cannot explain muon $g-2$, since the former provides only negative contribution while the latter has very much constrained parameter space, dark axion portal can save the situation and significantly extend the allowed parameter space. The observed muon anomalous magnetic moment provides a robust probe of the dark axion portal scenario.

연구 동기 및 목표

• 측정된 뮤온 비례 자기모멘트와 표준모형 예측 간의 4.2σ 이질현상을 해결하기 위해.
• ALP와 어둠의 보스론 포털이 별개로는 실패하는 경우에도 이 둘의 조합이 이 비일관성을 설명할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 어둠의 보스론 및 ALP 부문의 제약 조건을 고려하여 ALP 질량과 요카다 상수에 대한 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 어둠의 아키온 포털이 ALP 단독 또는 어둠의 보스론 단독 모델이 허용하는 것보다 더 넓은 매개변수 영역을 제공함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 양자색입자(알프)가 광자와 질량을 가진 어둠의 보스론에 이르기까지 필드 강도 이중체를 통해 연결되는 차원-5 연산자를 도입한다.
• 어둠의 아키온 포털을 통해 뮤온 비례 자기모멘트의 1-루프 기여를 모델링하며, ALP 및 어둠의 보스론의 자기에너지 및 꼬리 기여를 포함한다.
• 기여의 해석적 표현을 유도한다: ALP 기여는 $ a_{\nu}^{a} \propto (y^\nu_{a})^2 $이며, 어둠의 보스론 기여는 $ a_{\nu}^{\nu'} \propto \epsilon^2 $이며, 로그 및 역제곱 질량 의존성과 함께 나타난다.
• UV 절단 $ \Lambda = 1 $ TeV을 고려하면서도 ALP 질량 $ m_a $, 요카다 상수 $ y^\nu_{a} $, 어둠의 보스론 매개변수 $ m_{\gamma'} $, $ \epsilon $ 에 대해 수치적 스캔을 수행한다.
• 관측된 $ \Delta a_{\mu} = (251 \pm 59) \times 10^{-11} $ 를 이용해 허용 가능한 매개변수 영역을 제약하며, 두 기여가 상호간에 강화되는 영역을 식별한다.
• 간섭 덕분에 고정된 $ m_a $ 에서 $ y^\nu_{a} $ 에 대해 두 가지 해가 존재함을 보여주며, 이는 $ m_a $–$ y^\nu_{a} $ 평면상 원형의 허용 영역을 이룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALP와 어둠의 보스론을 모두 포함하는 어둠의 아키온 포털이 관측된 뮤온 비례 자기모멘트 이질현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 ALP 단독 또는 어둠의 보스론 단독 모델은 이 비일관성을 설명하지 못하며, 포털 메커니즘이 이를 어떻게 극복하는가?
• RQ3 ALP와 어둠의 보스론 기여가 모두 포함된 경우, ALP 질량과 요카다 상수에 대한 타당한 매개변수 영역의 구조는 어떠한가?
• RQ4 ALP와 어둠의 보스론 기여의 탈착 행동이 허용 가능한 매개변수 영역에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 두 기여 간의 간섭이 각각의 모델이 허용하는 것보다 더 넓은 타당한 매개변수 영역을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 어둠의 아키온 포털은 ALP 또는 어둠의 보스론 단독으로는 관측된 이질현상을 설명할 수 없지만, 이 둘의 조합으로는 뮤온 $ g-2 $ 이질현상에 타당한 설명을 제공할 수 있다.
• 특히 $ m_{\gamma'} = 100 $ GeV 이고 $ \epsilon = 3 \times 10^{-3} $ 일 때, 두 개의 별개의 요카다 상수 $ y^\mu_a = 0.082 $ 과 $ y^\mu_a = 0.22 $ 가 관측된 $ \Delta a_\mu $ 를 만족시키며, 이는 $ m_a $–$ y^\mu_a $ 평면상 원형의 허용 영역을 형성한다.
• ALP 기여 $ a^a_\mu \propto (y^\mu_a)^2 $ 는 음수이며 제곱에 비례하고, 어둠의 보스론 기여 $ a^{\gamma'}_\mu \propto \epsilon^2 $ 는 양수이며 $ m_{\gamma'}^{-2} $ 에 의해 억제되므로, 상호간에 강화 간섭이 가능하다.
• 특히 $ m_a = 110 $ GeV, $ y^\mu_a = 0.082 $ 또는 $ 0.22 $, $ m_{\gamma'} = 100 $ GeV 일 때, 모델은 $ \Delta a_\mu \approx 251 \times 10^{-11} $ 를 재현하며, 1σ 수준의 페르미랩 결과와 일치한다.
• 모델은 탈착 행동을 보이며, $ m_a $ 와 $ m_{\gamma'} $ 가 증가함에 따라 기여가 감소하지만, 간섭 덕분에 단일 입자 모델보다 더 큰 질량을 허용한다.
• 특히 $ m_a \gtrsim 100 $ GeV 및 $ m_{\gamma'} \gtrsim 100 $ GeV 영역에서, 반대 부호의 기여가 상호작용함에 따라 ALP 단독 또는 어둠의 보스론 단독 시나리오에 비해 매개변수 영역이 크게 확장된다.