[论文解读] Explaining The Muon $g-2$ Anomaly and New CDF II W-Boson Mass in the Framework of (Extra)Ordinary Gauge Mediation

Xiao Kang Du, Zhuang Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种扩展的普通规范介导（EOGM）框架，引入高能标伴随型信使粒子，以同时解决μ子 $g-2$ 异常和CDF II实验对W玻色子质量的测量结果。通过在 $\sim10^{14}$ GeV 能标引入 $\Sigma_8$ 和 $\Sigma_3$ 信使粒子，该模型放松了 gaugino 质量比，并增强了 $\Delta a_\mu$，从而在 $1\sigma$ 范围内解释了 $g-2$ 异常，同时使 $|A_t|$ 变大，稳定了125 GeV的Higgs玻色子。然而，该模型无法完全解释CDF II实验测得的W玻色子质量，这需要同时存在轻量的 wino 和轻量的 sleptons。

ABSTRACT

The SUSY contributions $Δa_μ$ to muon $g-2$ anomaly can not even reach $3σ$ in ordinary gauge mediated SUSY breaking (GMSB) scenarios because of the strong correlations between the colored sparticle masses and the uncolored EW sparticle masses. An interesting extension to GMSB is the (Extra)Ordinary Gauge Mediation (EOGM), which can relax the correlations between squarks and sleptons with non-universal choices for $N_{eff,3}$ and $N_{eff,2}$. We find that EOGM scenarios with $N_{eff,3}\ll N_{eff,2}$ can explain the muon $g-2$ anomaly within $3σ$ range, however can not explain the new W-boson mass by CDF II. We also propose to extend EOGM with additional adjoint $Σ_8$ and $Σ_3$ messengers at a high scale of order $1.0 imes 10^{14}$ GeV, which can shift the gauge coupling unification scale to the string scale. Such EOGM extension scenarios with adjoint messengers could spoil the unwanted gaugino mass ratios and give large SUSY contributions to $Δa_μ$ for $N_{eff,3}\ll N_{eff,2}$, which can explain the muon $g-2$ anomaly up to $1σ$. Besides, because of the large messenger scale of order $1.0 imes 10^{14}$ GeV, such scenarios will in general lead to large $|A_t|$ at the EW scale, which can accommodate the 125 GeV Higgs easily and possibly lead to smaller EWFT as well as BGFT. We discuss the possibility to explain the new CDF II W-boson mass in the GMSB-type framework. We find that SUSY contributions can marginally account for the new W-boson mass in the region with sleptons and wino both being light.

研究动机与目标

• 为利用超对称性解决μ子反常磁矩 ($g-2$) 中持续存在的 $4.2\sigma$ 偏差。
• 调和CDF II实验对W玻色子质量的新测量结果（$80,433.5 \pm 9.4$ MeV）与标准模型预测之间的矛盾。
• 将普通规范介导（OGM）框架进行扩展，以放松 gaugino 质量比，增强 $\Delta a_\mu$，同时不破坏规范耦合统一性。
• 探讨带有高能标伴随型信使粒子的EOGM模型是否能同时容纳125 GeV的Higgs玻色子和 $g-2$ 异常。
• 评估GMSB型模型在通过轻量 charginos 和 sleptons 产生的大SUSY修正下，解释CDF II实验W玻色子质量的可行性。

提出的方法

• 在高能标 $1.0 \times 10^{14}$ GeV 处引入额外的伴随型信使粒子（$\Sigma_8$ 和 $\Sigma_3$），以改变规范介导的谱结构。
• 使用非简并的等效信使数 $N_{\text{eff},3} \ll N_{\text{eff},2}$ 来解耦 squark 和 slepton 质量，从而减少软SUSY破缺谱中的相关性。
• 利用包含 charginos、neutralinos 和 sleptons 的单圈图，计算SUSY对 $\Delta a_\mu$ 和 $\Delta m_W$ 的贡献。
• 使用RGE演化规范耦合，表明由于高信使能标，统一尺度被推移到弦尺度。
• 评估电弱能标下的 $|A_t|$ 参数，该参数因高信使能标而增强，从而稳定125 GeV的Higgs质量。
• 通过蒙特卡洛模拟评估在同时存在轻量 wino 和轻量 sleptons 的区域中，$\Delta m_W$ 修正的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 带有非简并 $N_{\text{eff},3}$ 和 $N_{\text{eff},2}$ 的EOGM框架是否能在 $3\sigma$ 范围内解释μ子 $g-2$ 异常？
• RQ2 在 $\sim10^{14}$ GeV 能标引入伴随型信使粒子，是否能将统一尺度移至弦尺度，同时改善 $\Delta a_\mu$？
• RQ3 高能标信使粒子是否能增强 $|A_t|$，从而在EOGM模型中稳定125 GeV的Higgs质量？
• RQ4 带有伴随型信使粒子的EOGM模型是否能解释CDF II实验测得的W玻色子质量 $80,433.5 \pm 9.4$ MeV？
• RQ5 在EOGM参数空间中是否存在一个可行区域，使得同时存在轻量 wino 和轻量 sleptons 时，$\Delta m_W$ 足够大以解释CDF II实验数据？

主要发现

• 带有 $N_{\text{eff},3} \ll N_{\text{eff},2}$ 的EOGM情景可以在 $3\sigma$ 范围内解释μ子 $g-2$ 异常，但无法解释CDF II实验测得的W玻色子质量。
• 在 $\sim10^{14}$ GeV 能标引入伴随型信使粒子（$\Sigma_8$ 和 $\Sigma_3$）可使规范耦合统一尺度移至弦尺度。
• 此类EOGM扩展可通过放松 gaugino 质量比和增大 $|A_t|$，将 $\Delta a_\mu$ 显著增强，从而在 $1\sigma$ 范围内解释 $g-2$ 异常。
• 高信使能标导致电弱能标下出现大的 $|A_t|$，从而稳定125 GeV的Higgs质量，可能降低电弱精细调节。
• 在带有伴随型信使粒子的EOGM模型中，无法解释CDF II实验测得的W玻色子质量，因为 $\Delta m_W$ 的贡献仍过小。
• 只有在同时存在轻量 wino 和轻量 sleptons 的区域，GMSB型模型才能在边际上解释CDF II实验的W玻色子质量，此时 $\Delta m_W$ 最大可达0.06 GeV。