[論文レビュー] Understanding the MiniBooNE and the muon $g-2$ anomalies with a light $Z'$ and a second Higgs doublet

Waleed Abdallah, Raj Gandhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2020

Computational Physics and Python Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、$U(1)_{B-3L_\tau}$ もしくは $U(1)_B$ 対称性に由来する軽量な $Z'$ ボソンと2ヒッグスダブルレット項を統合したモデルを提案し、ミニブーネーの電子的过剩とミュオンの $g-2$ 異常の両者を説明する。$Z'$ はダークセクターに接続されたダスト・スカラーヒッグス項を介して質量が生成され、2つの軽量なCP不変スカラーモードを有する拡張されたヒッグス項は、ミニブーネーでのエネルギー分布および角度分布を同時に再現し、ミュオンの異常磁気モーメントに対しても良好な一致を示す。

ABSTRACT

Two of the most widely studied extensions of the Standard Model (SM) are $a)$ the addition of a new $U(1)$ symmetry to its existing gauge groups, and $b)$ the expansion of its scalar sector to incorporate a second Higgs doublet. We show that when combined, they allow us to understand the electron-like event excess seen in the MiniBooNE (MB) experiment as well as account for the observed anomalous values of the muon magnetic moment. A light $Z'$ associated with an additional $U(1)$ coupled to baryons and to the dark sector, with flavour non-universal couplings to leptons, in conjunction with a second Higgs doublet is capable of explaining the MB excess. The $Z'$ obtains its mass from a dark singlet scalar, which mixes with the two Higgs doublets. Choosing benchmark parameter values, we show that $U(1)_{B-3L_ au}$, which is anomaly-free, and $U(1)_B$, both provide (phenomenologically) equally good solutions to the excess. We also point out the other (anomaly-free) $U(1)$ choices that may be possible upon fuller exploration of the parameter space. We obtain very good matches to the energy and angular distributions for neutrinos and anti-neutrinos in MB. The extended Higgs sector has two light CP-even scalars, $h'$ and $H$, and their masses and couplings are such that in principle, both contribute to help explain the MB excess as well as the present observed value of the muon $g-2$. We discuss the constraints on our model as well as future tests. Our work underlines the role that light scalars may play in understanding present-day low-energy anomalies. It also points to the possible existence of portals to the dark sector, i.e., a light gauge boson field $(Z')$ and a dark neutrino which mixes with the active neutrinos, as well as a dark sector light scalar which mixes with the extended Higgs sector.

研究の動機と目的

• 新しい $U(1)$ゲージ対称性と第二ヒッグスダブルレットを用いて、長年のミニブーネーの電子的イベント過剰を解消すること。
• 1つの理論的枠組み内で観測されたミュオンの異常磁気モーメント ($g-2$) の乖離を説明すること。
• バリオンとダークセクターに結合するフレーバーノンユニバーサルなレプトン結合を持つ、異常フリーな $U(1)$ 対称性 $U(1)_{B-3L_\tau}$ および $U(1)_B$ を特定すること。
• 特に、ヒッグス項にミキシングするダークシングレットスカラーを含む軽量スカラーの役割が、観測された異常をどのように媒介するかを調査すること。
• 将来の実験的検証のための検証可能なシグネチャーや制約を同定すること。

提案手法

• バリオン数およびダークセクターに結合する軽量な $Z'$ ボソンを有する新しい $U(1)$ ゲージ対称性を導入し、異常フリーであることを保証する。
• 2つの軽量なCP不変スカラー（$h'$ と $H$）を有する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を実装し、標準模型ヒッグスとミキシングする。
• ダークシングレットスカラーとのミキシングを介して $Z'$ の質量を動的に生成し、同時にダークセクターとの相互作用を媒介する。
• レプトンへのフレーバーノンユニバーサルな $Z'$ の結合を用いて、ミニブーネーの過剰を説明すると同時に、$\mu \to e$ 変換の制約を満たす。
• $Z'$ を介した $\nu_e$-類似散乱過程を用いて、ミニブーネーでのニュートリノおよび反ニュートリノのエネルギーおよび角度分布をシミュレーションする。
• ベンチマークスキャンを実施し、$U(1)_{B-3L_\tau}$ および $U(1)_B$ の両方が、データと良好に一致する現象論的妥当な解を提供することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の $U(1)$ 拡張に由来する軽量 $Z'$ ボソンが、他の低エネルギー制約と整合しながらミニブーネーの電子的イベント過剰を説明できるか。
• RQ2 第二ヒッグスダブルレットの導入が、ミュオン $g-2$ 異常とミニブーネーの過剰を同時に説明する能力をどのように向上させるか。
• RQ3 この文脈において、$U(1)_{B-3L_\tau}$ と $U(1)_B$ が有効な $U(1)$ 対称性として示す現象論的差異および類似点は何か。
• RQ4 ダークシングレットスカラーと2つのヒッグスダブルレットとのミキシングが、$Z'$ の質量生成および必要な相互作用の媒介にどの程度寄与するか。
• RQ5 このモデルの検証可能な予測、特に将来のニュートリノ実験および $g-2$ 実験でのシグネチャ一は何か。

主な発見

• 本モデルは、ニュートリノおよび反ニュートリノの両方に対して、ミニブーネーの電子的過剰のエネルギー分布および角度分布を高い忠実度で再現する。
• $Z'$ ボソンはバリオンおよびダークセクターに結合し、観測された過剰の有効なポータルを提供する。$U(1)_{B-3L_\tau}$ および $U(1)_B$ の両者が、同等に良好な現象論的フィットを達成する。
• 2つの軽量なCP不変スカラー（$h'$ および $H$）を有する拡張されたヒッグス項は、ループおよび木レベルの寄与を通じて、ミニブーネーの過剰およびミュオン $g-2$ 異常の両方を説明する。
• $Z'$ の質量は、ダークシングレットスカラーとのミキシングを介して生成され、同時にダークセクターへの結合を可能にし、ダークマターおよびダークニュートリノへのポータルを提供する。
• $\mu \to e$ 変換および他の低エネルギー過程からの制約と整合しており、妥当なパラメータ空間が同定された。
• このフレームワークは、軽量な $Z'$、アクティブニュートリノとミキシングするダークニュートリノ、ヒッグス項とミキシングするダークスカラーを含むダークセクターへのポータルの存在を示唆しており、将来の実験の検証可能なシグネチャ一を提供する。