[论文解读] A Custodial Symmetry for Muon g-2

Reuven Balkin, Cédric Delaunay+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 49被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种具有守护对称性的新模型，可在标量和赝标量处于无质量极限时，通过该对称性精确抵消其对μ子反常磁矩（g-2）的一圈贡献，从而实现新物理效应的自然抑制。尽管存在这种抑制，树图过程（如标量辐射）仍被增强，使该模型可在未来的对撞机和精密实验中被检验。

ABSTRACT

We discuss the recent results on the muon anomalous magnetic moment in the context of new physics models with light scalars. We propose a model in which the one-loop contributions to g-2 of a scalar and a pseudoscalar naturally cancel in the massless limit due to the symmetry structure of the model. This model allows to interpolate between two possible interpretations. In the first interpretation, the results provide a strong evidence of the existence of new physics, dominated by the positive contribution of a CP-even scalar. In the second one, supported by the recent lattice result, the data provides a strong upper bound on new physics, specifically in the case of (negative) pseudoscalar contributions. We emphasize that tree-level signatures of the new degrees of freedom of the model are enhanced relative to conventional explanations of the discrepancy. As a result, this model can be tested in the near future with accelerator-based experiments and possibly also at the precision frontier.

研究动机与目标

• 在新物理框架下解释观测到的μ子g-2差异，该框架在无质量极限下自然抑制一圈图贡献。
• 在近期格点QCD结果的背景下，调和费米实验室结果与标准模型预测之间的张力。
• 提出一种模型，即使一圈图贡献被抑制，树图信号（如标量辐射）仍保持较大，从而可在未来实验中被探测。
• 探讨轻标量粒子与μ子和电子的耦合之间的相互作用，评估来自μ子光谱学和电子束靶实验的约束。
• 提供一个统一的框架，根据对格点QCD结果的不同解释，可在强新物理证据与强上限之间进行插值。

提出的方法

• 引入一个包含四分量外尔旋量双态和一个四实标量场（一个标量+三个赝标量）的模型，该场在全局U(1)对称性下变换。
• 实施一种守护对称性，确保在无质量极限下，标量和赝标量对μ子g-2的一圈贡献精确抵消。
• 仅通过μ子的Yukawa耦合，且耦合强度相等，利用对称性结构实现抵消。
• 分析该模型的理论物理现象，表明树图过程（如轻标量的辐射）未被抑制，并被增强约O(100)倍。
• 评估来自电子束靶实验（Orsay, E137, E141）、μ子1S-2S光谱学以及电子g-2测量的约束，假设电子耦合具有m_e/m_μ的抑制。
• 将模型预测与实验数据（包括费米实验室g-2结果和基于格点QCD的标准模型预测）进行比较，以确定可行的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种对称性机制，可自然抑制μ子g-2的一圈贡献，同时保持较大的树图信号？
• RQ2 该模型如何调和世界平均g-2的4.2σ差异与使用格点QCD计算标准模型预测时的1.6σ差异？
• RQ3 该模型的主要实验探测手段是什么？其灵敏度与现有约束相比如何？
• RQ4 在假设电子耦合具有m_e/m_μ抑制的前提下，电子耦合如何影响模型的可行性？
• RQ5 尽管g-2的一圈贡献被抑制，该模型是否仍可在近期通过对撞机或精密实验进行检验？

主要发现

• 由于守护对称性，在无质量极限下，标量和赝标量对μ子g-2的一圈贡献精确抵消，从而实现自然抑制。
• 当耦合强度y_φ ≈ 3.6×10⁻⁴时，若抵消机制略有破坏，该模型可解释异常的中心值。
• 树图过程（如标量辐射）相比传统模型被增强约O(100)倍，使其在未来的对撞机中可被探测。
• 该模型受μ子1S-2S光谱学的约束，实验与理论频率差的约束以图2中的橙色曲线表示。
• 电子束靶实验（Orsay, E137, E141）排除了参数空间中的灰色区域，而μ子光谱学提供的约束弱于其他探测手段。
• 即使采用基于格点QCD的标准模型预测，该模型依然可行，因为一圈抑制使其可避开1.6σ的限制，同时仍可通过树图信号被检验。