[论文解读] A simple model for explaining muon-related anomalies and dark matter

Cheng-Wei Chiang, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出对标准模型的最小扩展，引入一个μ子特异的全局U(1)μ对称性和一个ZN对称性，以同时解释μ子反常磁矩和观测到的暗物质丰度。该模型引入了一个奇异的矢量型轻子双重态、三个右手中性大马约拉纳中微子，以及一个标量暗物质候选者（实数或复数），成功地同时容纳了(g−2)μ异常和B介子衰变异常，同时满足轻子味破坏和介子混合的约束条件。

ABSTRACT

We propose a model to explain several muon-related experimental anomalies and the abundance of dark matter. We introduce an vector-like exotic lepton that form an iso-doublet and three right-handed Majorana fermions as an iso-singlet. A real/complex scalar field is added as a dark matter candidate. We impose a global $U(1)_ μ$ symmetry under which fields associated with the SM muon are charged. To stabilize the dark matter, we impose a $Z_2$ (or $Z_3$) symmetry under which the exotic lepton doublet and the real (or complex) scalar field are charged. We find that the model can simultaneously explain the muon anomalous magnetic dipole moment and the dark matter relic density in no conflict with any lepton flavor-violating/conserving observables, with some details depending upon whether the scalar field is real or complex. Besides, we extend the framework to the quark sector in a way similar to the lepton sector, and find that the recent anomalies associated with the $b o s μ^+ μ^-$ transition can also be accommodated while satisfying constraints such as the $B_{s(d)} o μ^+ μ^-$ decays and neutral meson mixings.

研究动机与目标

• 解决μ子反常磁矩(g−2)μ在3.3σ水平上的长期差异问题。
• 提供一个与观测到的丰度一致的、可存活的弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者。
• 解释最近在B→K*μ+μ−衰变中观测到的异常，包括R_K和R_K*偏差，表明轻子味非普遍性。
• 确保与Z→μ+μ−衰变、B_s→μ+μ−衰变以及中性介子混合的严格约束相容。
• 构建一个最小且可重整化的框架，通过单一对称结构统一解释多个与μ子相关的异常。

提出的方法

• 引入一个矢量型奇异轻子双重态和三个右手中性大马约拉纳费米子作为额外场，这些场在全局U(1)μ对称性下变换，且仅μ子 sector 的场带此对称性电荷。
• 假设一个实数或复数标量场作为暗物质候选者，其在Z2或Z3对称性下带电荷以确保其稳定性。
• 实施U(1)μ×ZN对称性以抑制不必要的味改变过程，并介导μ子特异的相互作用。
• 使用奇异轻子双重态和标量单态计算μ子反常磁矩的一圈贡献。
• 通过积分出重夸克和标量态，推导b→sμ+μ−跃迁的有效弱哈密顿量，并与威尔逊系数匹配。
• 对实验数据进行全局拟合，包括(g−2)μ、R_K、R_K*、B→K*μ+μ−角分布，以及LFV和介子混合的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一模型能否同时解释μ子(g−2)μ异常和观测到的暗物质丰度？
• RQ2 由U(1)μ对称性介导的μ子特异相互作用如何影响μ子磁矩和暗物质现象学？
• RQ3 该模型能否在不违反B_s→μ+μ−或中性介子混合约束的前提下，解释B→K*ℓ+ℓ−衰变中R_K和R_K*的异常？
• RQ4 标量暗物质的性质（实数与复数）在决定可行参数空间和可检验性方面起什么作用？
• RQ5 Z→μ+μ−衰变和LHC对奇异夸克与轻子的搜寻结果如何限制允许的参数空间？

主要发现

• 该模型通过μ子特异的U(1)μ对称性和一个矢量型奇异轻子双重态，成功解释了μ子反常磁矩的3.3σ偏差。
• 对于实标量DM，允许的质量范围为90–180 GeV，|fμ|在2.2至3.3之间，奇异μ子质量M_μ′在160–340 GeV之间。
• 对于复标量DM，允许的质量范围为7–14 GeV，|fμ|在1.2至2.3之间，M_μ′在130–240 GeV之间。
• Z→μ+μ−衰变分支比约束显著限制了参数空间，尤其对实标量情况影响更大。
• 该模型仅在标量为复数时才能解释B介子异常（R_K和R_K*），因破坏性干涉而排除了实标量情形。
• 质量约为10 GeV的复标量DM是一种可检验的信号，其质量范围和耦合特性可与实标量情形区分开来。