[论文解读] A Model of Vector-like Leptons for the Muon $g-2$ and the $W$ Boson Mass

Hyun Min Lee, Kimiko Yamashita|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种U(1)'对称的规范模型扩展，引入了矢量型轻子和第二希格斯双重态，以同时解释μ子g-2异常和CDF II实验中W玻色子质量的过剩。该模型通过Z'交换产生类似跷跷板机制的μ子质量以及g-2的修正，而第二希格斯双重态的树图贡献则修正了W玻色子质量，所有这些均满足来自Z玻色子衰变宽度和希格斯耦合的约束条件。

ABSTRACT

We consider a simple extension of the Standard Model (SM) with a vector-like lepton and a local $U(1)'$ symmetry, motivated by the recent experimental anomalies in the muon $g-2$ and the $W$ boson mass. The $U(1)'$ symmetry is spontaneously broken by the VEVs of the dark Higgs scalar and the second Higgs doublet, giving rise to the mixing between the muon and the vector-like lepton. As a result, we obtain the desirable corrections to the muon $g-2$ and the $W$ boson mass simultaneously, dominantly due to the $Z'$ gauge interactions for the vector-like lepton and the second Higgs doublet, respectively. We also discuss the consistency of the model with the $Z$ boson decay width, the Higgs couplings and the dilepton bounds.

研究动机与目标

• 解决μ子g-2中持续存在的4.2σ偏差以及CDF II实验中W玻色子质量测量的7.0σ过剩。
• 提出一个统一的新物理框架，使单一可重整化模型能同时修正这两个异常。
• 确保与Z玻色子衰变宽度、希格斯耦合以及二轻子搜寻的严格约束相容。
• 探索重矢量型轻子（超过1 TeV）和相对较轻的Z'规范玻色子作为可检验信号的可行性。
• 在Z衰变中保持轻子味 universality，同时允许在W玻色子衰变和μ子g-2中出现非普遍效应。

提出的方法

• 引入一个SU(2)L单态的矢量型轻子E，其U(1)'电荷为-2，与一个暗希格斯标量φ以及一个U(1)'电荷为+2的第二希格斯双重态H'耦合。
• 通过真空期望值（VEVs）实现U(1)'和电弱对称性的自发性自发性破缺：⟨φ⟩ = vφ，⟨H⟩ = v1/√2，⟨H'⟩ = v2/√2。
• 通过H'和φ介导的μ子与矢量型轻子之间的混合，生成小规模的跷跷板型μ子质量。
• 通过涉及矢量型轻子和H'耦合的Z'交换图，计算对μ子g-2的修正。
• 计算第二希格斯双重态H'对W玻色子质量的树图修正，该修正改变了W玻色子的自能。
• 通过Z玻色子衰变宽度、希格斯信号强度以及LHC的二轻子约束进行全局拟合，以约束该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的新物理模型能否同时解释μ子g-2中4.2σ的偏离和W玻色子质量中7.0σ的过剩？
• RQ2 引入矢量型轻子和U(1)'规范对称性如何同时生成对g-2和W玻色子质量所期望的修正？
• RQ3 该模型在多大程度上能与Z玻色子衰变宽度和希格斯耦合等精确电弱可观测量保持一致？
• RQ4 来自二轻子搜寻和W与Z衰变中轻子味非普遍性的参数空间约束是什么？
• RQ5 即使矢量型轻子质量M_E > 1 TeV，是否仍能对g-2和M_W产生显著修正而不违反实验约束？

主要发现

• 该模型实现了对μ子g-2和W玻色子质量的同步修正，前者主要由Z'交换主导，后者则由第二希格斯双重态的树图贡献主导。
• 通过与矢量型轻子的混合，跷跷板机制生成了约0.511 MeV的微小μ子质量，与观测值一致。
• Z玻色子衰变宽度约束了轻子混合角，sinθL < 0.114（90%置信水平），而轻子味非普遍性约束更严格，sinθL < 0.030（90%置信水平）。
• 该模型与二轻子约束相容，当m_Z' = 1000 GeV，vφ = 200 GeV，sinβ = 0.2时，|Cu_L| = 3.1×10⁻⁸。
• 当M_E ≳ 1 TeV时，W玻色子质量的修正被限制在ΔM_W ≲ 7.04 MeV（90%置信水平）以内，与CDF II测量结果一致。
• 该模型预测了相对较轻的Z'规范玻色子和较重的矢量型轻子，作为LHC运行3期及未来实验中潜在的探测信号。