[论文解读] Effective field theory interpretation of lepton magnetic and electric dipole moments

Jason Aebischer, Wouter Dekens+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 146被引用 74

一句话总结

本文使用一环有效场论（EFT）技术，在SMEFT和LEFT框架下对轻子磁矩和电矩进行了模型无关分析。研究发现，仅少数SMEFT算符——特别是双极矩算符CeW和CeB，以及某些半轻子四费米子算符——能够解释观测到的4.2σ的μ子反常磁矩偏差，其中顶夸克圈图贡献显著，且非微扰QCD效应亦起关键作用。

ABSTRACT

We perform a model-independent analysis of the magnetic and electric dipole moments of the muon and electron. We give expressions for the dipole moments in terms of operator coefficients of the low-energy effective field theory (LEFT) and the Standard Model effective field theory (SMEFT). We use one-loop renormalization group improved perturbation theory, including the one-loop matching from SMEFT onto LEFT, and one-loop lepton matrix elements of the effective-theory operators. Semileptonic four-fermion operators involving light quarks give sizable non-perturbative contributions to the dipole moments, which are included in our analysis. We find that only a very limited set of the SMEFT operators is able to generate the current deviation of the magnetic moment of the muon from its Standard Model expectation.

研究动机与目标

• 使用有效场论对观测到的4.2σ的μ子反常磁矩（g−2）偏差提供模型无关的解释。
• 识别SMEFT和LEFT中哪些高维算符可产生观测到的电矩偏差。
• 包含一环跑动、SMEFT到LEFT的匹配，以及来自轻夸克半轻子算符的非微扰QCD效应。
• 约束威尔逊系数的虚部，以确保与严格的电偶极矩约束一致。

提出的方法

• 执行SMEFT到LEFT的一环匹配，并使用一环异常维数演化算符。
• 通过顶夸克和粲夸克圈图计算一环对轻子电矩的贡献，包含QCD修正。
• 利用从格点QCD导出的O(1)参数，纳入半轻子四费米子算符的非微扰效应。
• 使用SMEFT和LEFT威尔逊系数的主公式，将∆aµ和∆ae表示为算符系数的函数。
• 以顶夸克和两Higgs双态模型为例，进行说明性分析。
• 应用来自μ子电偶极矩约束和µ→eγ分支比的限制，排除某些新物理解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些SMEFT和LEFT算符可产生观测到的4.2σ的μ子反常磁矩偏差？
• RQ2 一环跑动、匹配及非微扰QCD效应如何改变电矩贡献？
• RQ3 电子和μ子电偶极矩约束对SMEFT中威尔逊系数虚部施加了何种限制？
• RQ4 顶夸克模型能否同时解释μ子和电子g−2异常，而不违反µ→eγ或电偶极矩约束？
• RQ5 在EFT框架下，哪些特定算符系数组合可生成∆aµ ∼ 251×10−11？

主要发现

• 若新物理存在于电弱尺度以上，则仅双极矩算符CeW和CeB，以及半轻子四费米子算符C(3)lequ2222和C(3)lequ2233可产生观测到的∆aµ。
• 在顶夸克模型中，来自顶夸克圈图的味手性增强贡献可解释该异常，其中M1 ∼ 1–10 TeV且Yukawa耦合接近单位值。
• 若同一顶夸克模型同时解释∆ae和∆aµ，则预测的µ→eγ分支比将超过实验限4.2×10−13，因此该类模型被排除。
• 当∆ae和∆aµ均由顶夸克圈图解释时，µ→eγ的最小分支比为1.5×10−4，超过实验上限。
• 来自半轻子算符的非微扰QCD效应贡献显著，必须通过非微扰确定的O(1)参数来包含。
• 假设实部数量级为10−10，为满足电子电偶极矩约束，威尔逊系数的虚部必须被抑制至少10^5倍。