[论文解读] Combined explanations of $(g-2)_μ$, $(g-2)_e$ and implications for a large muon EDM

Andreas Crivellin, Martin Hoferichter|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Computational Physics and Python Applications被引用 9

一句话总结

本文通过在新物理（BSM）中引入手征增强机制，提出了一种解释μ子和电子反常磁矩（$(g-2)_\mu$ 和 $(g-2)_e$）联合异常的超越标准模型（BSM）机制，同时通过解耦μ子与电子相互作用区以规避严格的 $\mu\to e\gamma$ 约束。这种解耦使得μ子电偶极矩（$d_\mu$）可保持较大且与电子电偶极矩无关，从而可通过费米实验室、J-PARC以及尤其是瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的专用μ子电偶极矩实验进行探测。

ABSTRACT

We consider possible beyond-the-Standard-Model (BSM) effects that can accommodate both the long-standing tension in the anomalous magnetic moment of the muon, $a_μ=(g-2)_μ/2$, as well as the emerging $2.5σ$ deviation in its electron counterpart, $a_e=(g-2)_e/2$. After performing an EFT analysis, we consider BSM physics realized above the electroweak scale and find that a simultaneous explanation becomes possible in models with chiral enhancement. However, this requires a decoupling of the muon and electron BSM sectors to avoid the strong constraints from $μ o eγ$. In particular, this decoupling implies that there is no reason to expect the muon electric dipole moment (EDM) $d_μ$ to be correlated with the electron EDM $d_e$, avoiding the very stringent limits for the latter. While some of the parameter space for $d_μ$ favored by $a_μ$ could be tested at the $(g-2)_μ$ experiments at Fermilab and J-PARC, a dedicated muon EDM experiment at PSI would be able to probe most of this region.

研究动机与目标

• 在单一BSM框架内解释$(g-2)_\mu$的3–4σ偏离与$(g-2)_e$的2.5σ偏离。
• 通过解耦μ子与电子BSM相互作用区，应对$\mu\to e\gamma$带来的强约束。
• 探讨当$ d_e $被实验严格限制时，对μ子电偶极矩（$d_\mu$）的影响。
• 评估未来实验——费米实验室、J-PARC以及拟议的PSI μ子电偶极矩实验——在探测与$g-2$异常一致的参数空间方面的潜力。

提出的方法

• 对轻子偶极矩进行有效场论（EFT）分析，识别出威尔逊系数 $c_R^{\ell\ell}$ 负责$(g-2)$与电偶极矩（EDM）贡献。
• 应用$\mu\to e\gamma$的约束，排除具有相关$c_R^{e\mu}$的模型，要求电子与μ子BSM相互作用区解耦。
• 利用手征增强机制生成$\Delta a_\mu$与$\Delta a_e$符号相反的大值，避免基于最小味违反（MFV）的关联。
• 评估来自$d_e$的三圈图对$d_\mu$的贡献，由此提供间接约束：$|d_\mu| \lesssim 0.9 \times 10^{-19}~e\text{cm}$（90%置信水平）。
• 使用冻结自旋技术预测未来实验对$d_\mu$的探测灵敏度，尤其关注拟议的PSI实验。
• 在$\Delta a_\mu$与$c_R^{\mu\mu}$相位的参数空间中进行映射，表明当相位为$\mathcal{O}(1)$时，$d_\mu$可达到较大值。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在单一BSM模型，可同时解释$(g-2)_\mu$的3–4σ异常与$(g-2)_e$的2.5σ异常？
• RQ2 当电子电偶极矩（$d_e$）受到强实验限制时，对μ子电偶极矩（$d_\mu$）有何影响？
• RQ3 如何在保持对$(g-2)_\mu$与$(g-2)_e$产生大贡献的同时，规避$\mu\to e\gamma$的约束？
• RQ4 PSI的专用μ子电偶极矩实验在多大程度上可探测当前$(g-2)_\mu$异常所支持的参数空间？
• RQ5 手征增强在实现大$d_\mu$的同时避免产生大$d_e$的过程中起到何种作用？

主要发现

• 在具有手征增强的模型中，若μ子与电子BSM相互作用区解耦，则可同时解释$\Delta a_\mu \sim 270 \times 10^{-11}$与$\Delta a_e \sim -0.88 \times 10^{-12}$。
• μ子与电子相互作用区的解耦消除了$d_\mu$与$d_e$之间的关联，使得在$|d_e| < 1.1 \times 10^{-29}~e\text{cm}$的严格限制下，$d_\mu$仍可保持较大。
• 来自三圈图的间接约束为$|d_\mu| \lesssim 0.9 \times 10^{-19}~e\text{cm}$，该约束弱于BNL的直接限制，但未来实验可能超越此值。
• 费米实验室与J-PARC实验预计可探测至$10^{-21}~e\text{cm}$量级的$d_\mu$，而PSI的专用μ子电偶极矩实验有望将灵敏度提高至少一个数量级。
• 拟议的PSI实验将能够探测到大部分参数空间，其中$ c_R^{\mu\mu} $的相位为$\mathcal{O}(1)$，这对应于与$(g-2)_\mu$异常一致的最大$d_\mu$值。
• 当前$|d_e|$的限制极为严格，其对$d_\mu$的约束已超过直接$d_\mu$限制，但未来$d_\mu$实验将超越此间接约束。