[论文解读] Lepton Anomalous Magnetic Moment with Singlet-Doublet Fermion Dark Matter in Scotogenic $U(1)_{L_μ-L_τ}$ Model

Debasish Borah, Manoranjan Dutta+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种扩展的scotogenic $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$模型，引入了矢量型轻子 doublet 和右手中性费米子，以同时解释电子和μ子的反常磁矩，同时保持一个稳定的单重态-双重态费米子暗物质候选者。该模型通过手征增强的负贡献实现电子 $(g-2)$，并通过正贡献实现μ子 $(g-2)$，成功在中微子质量、轻子味破坏和暗物质现象学的实验约束下调和了这两项异常。

ABSTRACT

We study an extension of the minimal gauged $L_μ-L_τ$ model in order to explain the anomalous magnetic moments of muon and electron simultaneously. Presence of an additional scalar doublet $η$ and an in-built $Z_2$ symmetry under which the right handed singlet fermions and $η$ are odd, leads to light neutrino mass in scotogenic fashion along with a stable dark matter candidate. In spite of the possibility of having positive and negative contributions to $(g-2)$ from vector boson and charged scalar loops respectively, the minimal scotogenic $L_μ-L_τ$ model can not explain muon and electron $(g-2)$ simultaneously while being consistent with other experimental bounds. We then extend the model with a vector like lepton doublet which not only leads to a chirally enhanced negative contribution to electron $(g-2)$ but also leads to the popular singlet-doublet fermion dark matter scenario. With this extension, the model can explain both electron and muon $(g-2)$ while being consistent with neutrino mass, dark matter and other direct search bounds. The model remains predictive at high energy experiments like collider as well as low energy experiments looking for charged lepton flavour violation, dark photon searches, in addition to future $(g-2)$ measurements.

研究动机与目标

• 在单一统一框架内解决μ子反常磁矩 ($a_\mu$) 长期存在的差异以及电子磁矩 ($a_e$) 的新兴张力。
• 通过引入矢量型轻子 doublet 扩展最小的scotogenic $L_\mu - L_\tau$ 模型，以生成手征增强的负贡献至 $a_e$，这在其他情况下难以实现。
• 通过内置的 $Z_2$ 对称性保持稳定的单重态-双重态费米子暗物质候选者，与观测到的暗物质丰度和直接探测约束一致。
• 确保与通过一环scotogenic机制生成中微子质量一致，并满足轻子味破坏、暗光子搜索以及未来 $g-2$ 测量的约束。

提出的方法

• 引入具有 $Z_2$ 奇量子数的矢量型轻子 doublet，通过涉及带电标量和规范玻色子的圈图，生成对电子反常磁矩的显著手征增强负贡献。
• 通过增加三个右手中微子和一个标量 doublet $\eta$，扩展最小的scotogenic $L_\mu - L_\tau$ 模型，$Z_2$ 对称性确保暗物质候选者的稳定性，并实现轻子中微子质量的一环生成。
• 在 $(\psi_R^0)^c$、$\psi_L^0$ 和 $N_1^c$ 的基底下构建费米子质量矩阵，通过正交旋转对角化，识别最轻的质量本征态作为暗物质候选者的主导成分。
• 通过规范动能项和Yukawa相互作用的旋转，推导出暗物质、SM轻子和规范玻色子（包括 $Z$、$W^\pm$ 和 $A$）之间的物理混合角和耦合。
• 计算带电标量和规范玻色子圈图对 $a_e$ 和 $a_\mu$ 的贡献，包括干涉项，并施加来自中微子质量、LFV和直接探测实验的约束。
• 进行全局拟合以满足所有现象学约束：$a_\mu$ 差异、$a_e$ 异常、$m_\ \nu \leq 0.1$ eV、$\mu \to e\gamma$ 分支比以及暗物质丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 最小的scotogenic $L_\mu - L_\tau$ 模型能否在单一框架内同时解释μ子和电子的反常磁矩异常？
• RQ2 引入矢量型轻子 doublet 在生成 $a_e$ 的手征增强负贡献中起到什么作用？
• RQ3 在 $L_\mu - L\tau$ 模型中，引入矢量型 doublet 如何影响暗物质现象学，特别是在单重态-双重态费米子场景中？
• RQ4 该模型在多大程度上能与轻子味破坏、暗光子搜索以及未来 $g-2$ 实验的约束保持一致？
• RQ5 哪些参数空间区域能够同时满足 $a_\mu$ 和 $a_e$ 异常，同时与中微子质量及暗物质约束相容？

主要发现

• 最小的scotogenic $L_\mu - L_\tau$ 模型无法通过冲突的圈图贡献符号要求，同时解释μ子和电子的 $(g-2)$ 异常。
• 引入具有 $Z_2$ 奇性的矢量型轻子 doublet 可实现对 $a_e$ 的手征增强负贡献，这是解决电子磁矩 $2.4\sigma$ 差异的关键。
• 通过内置的 $Z_2$ 对称性，该模型实现了稳定的单重态-双重态费米子暗物质候选者，当混合角 $\alpha_{12}$ 和 $\alpha_{13}$ 较小时，最轻的中性费米子主要为 $N_1$。
• 该模型成功在 $2.4\sigma$ 张力范围内解释了 $a_\mu \approx 251 \times 10^{-11}$ 和 $a_e \approx -87 \times 10^{-14}$，同时与中微子质量约束（$m_\nu \leq 0.1$ eV）和 $\mu \to e\gamma$ 分支比限制一致。
• 该模型在高能对撞机中仍具有预测能力，且与暗光子搜索和未来 $g-2$ 测量的约束一致，尤其在 $L_\mu - L_\tau$ 规范玻色子耦合背景下。
• 参数空间受暗物质丰度与观测值匹配的要求约束，模型在 $M_1 \sim 100$ GeV 和 $m_D \sim 100$ GeV 时存在可行区域，且 $Y_\psi \sim 0.1$。