[论文解读] Explaining muon $g-2$ data in the $μν$SSM

Essodjolo Kpatcha, Iñaki Lara+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 110被引用 4

一句话总结

本文提出，$μ u$SSM——一种$R$-parity破坏的超对称模型——通过中微子物理自然生成轻的左手中微子型selectron和Wino类chargedino，从而解释muon $g-2$长期存在的差异。通过基于似然的参数空间扫描，识别出满足中微子、希格斯、味物理和LHC约束的可行区域，具体为$m_{\tilde{\nu}_\mu} \sim 120-620$ GeV，$M_1 \sim 120-2200$ GeV，以及$M_2 \sim 200-900$ GeV，且多轻子+缺失能量探测可检验这些区域。

ABSTRACT

We analyze the anomalous magnetic moment of the muon $g-2$ in the $μν$SSM. This $R$-parity violating model solves the $μ$ problem reproducing simultaneously neutrino data, only with the addition of right-handed neutrinos. In the framework of the $μν$SSM, light left muon-sneutrino and wino masses can be naturally obtained driven by neutrino physics. This produces an increase of the dominant chargino-sneutrino loop contribution to muon $g-2$, solving the gap between the theoretical computation and the experimental data. To analyze the parameter space, we sample the $μν$SSM using a likelihood data-driven method, paying special attention to reproduce the current experimental data on neutrino and Higgs physics, as well as flavor observables such as $B$ and $μ$ decays. We then apply the constraints from LHC searches for events with multi-leptons + MET on the viable regions found. They can probe these regions through chargino-chargino, chargino-neutralino and neutralino-neutralino pair production. We conclude that significant regions of the parameter space of the $μν$SSM can explain muon $g-2$ data.

研究动机与目标

• 解释标准模型之外muon反常磁矩（$g-2$）持续存在的$3.5\sigma$差异。
• 探讨$\mu\nu$SSM——一种最小的$R$-parity破坏超对称模型——是否能自然生成所需轻型超对称粒子，以增强$g-2$贡献。
• 在$\mu\nu$SSM中识别同时满足中微子物理、希格斯玻色子数据、味可观测量（如$B$和$\mu$衰变）以及LHC搜索约束的可行参数区域。
• 通过LHC多轻子+缺失能量（$E_T$）搜索评估这些解的对撞机可行性。

提出的方法

• 采用基于似然的数据驱动扫描方法，对$\mu\nu$SSM参数空间进行采样，整合中微子振荡数据、希格斯玻色子测量以及$B$和$\mu$衰变等味可观测量的约束。
• 该模型通过gaugino seesaw机制生成中微子质量，自然导致轻的左手中微子型selectron和Wino类chargedino质量。
• 通过chargino–sneutrino圈图计算SUSY对$a_\mu$的贡献，其增强效应源于轻型selectron质量。
• 利用多轻子+缺失能量搜索限制施加LHC约束，重点关注chargino–chargino、chargino–neutralino和neutralino–neutralino对生产过程。
• 分析假设希格斯 sector 参数固定且中微子Yukawa耦合为对角形式，以降低计算复杂度，尽管指出一般化形式可作为未来工作。
• 通过将预测的$a_\mu$与实验值$\Delta a_\mu = (26.8 \pm 6.3 \pm 4.3) \times 10^{-10}$对比，验证参数扫描结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在$\mu\nu$SSM中自然生成轻的左手中微子型selectron和chargedino，以增强$g-2$贡献而不需精细调节？
• RQ2 哪些$\mu\nu$SSM参数空间区域能同时满足当前中微子、希格斯、味物理和LHC约束，同时解释$g-2$异常？
• RQ3 LHC多轻子+缺失能量探测如何约束$g-2$相关情景在$\mu\nu$SSM中的可行参数空间？
• RQ4 $\mu\nu$SSM能否在不引入稳定LSP的前提下解释$g-2$差异，从而避免暗物质张力？
• RQ5 改变selectron和smuon质量对$g-2$贡献及对撞机信号有何影响？

主要发现

• $\mu\nu$SSM参数空间中存在显著区域——具体为$120 \lesssim m_{\tilde{\nu}_\mu} \lesssim 620$ GeV，$120 \lesssim M_1 \lesssim 2200$ GeV，以及$200 \lesssim M_2 \lesssim 900$ GeV——可解释观测到的$\Delta a_\mu$差异。
• 对$g-2$贡献的增强主要源于chargino–sneutrino圈图，其驱动力是$\mu\nu$SSM中通过中微子物理自然实现的左muon-sneutrino轻质量。
• LHC多轻子+缺失能量探测可通过chargino–chargino、chargino–neutralino和neutralino–neutralino对生产过程检验这些可行区域，使其在未来数据中可被验证。
• 该模型与当前中微子振荡、希格斯玻色子性质以及$B$和$\mu$衰变等味物理约束保持一致。
• 结果对右smuon质量的适度变化具有鲁棒性，且更小的值可能进一步增强$g-2$贡献。
• 本研究表明，未来以$\sim 7\sigma$显著性进行的$g-2$测量，或可使$\mu\nu$SSM用于约束左muon-sneutrino和电弱gaugino的质量。