[论文解读] Muon $g-2$ Anomaly in Anomaly Mediation

Wen Yin|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文研究了在异常媒介超对称性破坏（AMSB）情景中，轴子 $g-2$ 异常是否可被解释，其中温尼奥是主要的暗物质组分。结果表明，必须存在较大的希格斯ino阈值修正（$L \sim m_{3/2}$）才能解释 $4.2\sigma$ 的偏差；若无此修正，该异常无法调和。当 $L$ 显著时，胶球夸克、中性子和温尼奥的质量分别被限制在 $\leq 4\,\text{TeV}$、$\leq 2\,\text{TeV}$ 和 $\leq 2\,\text{TeV}$ 以内，从而产生可检验的对撞机与暗物质信号。

ABSTRACT

The long-standing muon $g-2$ anomaly has been confirmed recently at the Fermilab. The combined discrepancy from Fermilab and Brookhaven results shows a difference from the theory at a significance of 4.2 $σ$. In addition, the LHC has updated the lower mass bound of a pure wino. In this letter, we study to what extent the $g-2$ can be explained in anomaly mediation scenarios, where the pure wino is the dominant dark matter component. To this end, we derive some model-independent constraints on the particle spectra and $g-2$. We find that the $g-2$ explanation at the 1$σ$ level is driven into a corner if the higgsino threshold correction is suppressed. On the contrary, if the threshold correction is sizable, the $g-2$ can be explained. In the whole viable parameter region, the gluino mass is at most $2-4\,$TeV, the bino mass is at most $2\,$TeV, and the wino dark matter mass is at most $1-2\,$TeV. If the muon $g-2$ anomaly is explained in the anomaly mediation scenarios, colliders and indirect search for the dark matter may find further pieces of evidence in the near future. Possible UV models for the large threshold corrections are discussed.

研究动机与目标

• 确定观测到的 $4.2\sigma$ muon $g-2$ 异常在异常媒介超对称性破坏（AMSB）情景中可被解释的程度。
• 识别在以纯温尼奥为主要暗物质组分的 AMSB 中，粒子谱和 $g-2$ 的模型无关约束。
• 检查希格斯ino阈值修正（$L$）在实现 $g-2$ 异常可行解释中的作用。
• 推导与 $g-2$ 异常以及对撞机/天体物理约束一致的超粒子质量上限。
• 探索可生成大 $L$ 以解释异常，同时避免味破坏与 CP 破坏问题的 UV 完备模型。

提出的方法

• 推导涉及温尼奥、中性子、胶球夸克和 smuon 的有效理论，以计算异常媒介中的 muon $g-2$。
• 将希格斯ino阈值修正 $L = \mu \sin 2\beta \frac{m_A^2}{|\mu|^2 - m_A^2} \log \left( \frac{|\mu|^2}{m_A^2} \right)$ 作为控制 $g-2$ 的关键参数。
• 应用 LHC 对纯温尼奥质量的最新下限以及 smuon 真空稳定性约束，以限制参数空间。
• 对规范费米子质量谱进行模型无关分析，重点研究 $M_{\text{wino}} \propto 10^{-3} c_2 (m_{3/2} + L)$，以确定可行区域。
• 考虑 UV 完备模型，如隔离的轻子多重态或 Higgs-异常媒介，以实现大 $L$，同时避免真空衰变或味破坏。
• 评估 $L$ 中 CP 相位对 muon 和电子电偶极矩（EDM）的影响，评估其与实验限制的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在以纯温尼奥为暗物质的异常媒介 SUSY 情景中，$4.2\sigma$ muon $g-2$ 异常是否可被解释？
• RQ2 为实现 $g-2$ 异常的 $1\sigma$ 解释，所需的希格斯ino阈值修正 $L$ 的大小是多少？
• RQ3 在与 $g-2$ 异常和对撞机约束一致的前提下，胶球夸克、中性子和温尼奥质量的上限是多少？
• RQ4 具有隔离轻子或 Higgs 多重态的 UV 模型如何生成大 $L$，同时不违反味破坏或 CP 破坏约束？
• RQ5 如果 $g-2$ 异常通过 AMSB 中的大 $L$ 解释，预期的对撞机与间接暗物质探测信号是什么？

主要发现

• 若希格斯ino阈值修正 $L$ 被抑制（$L \sim 0$），则无法在 $1\sigma$ 水平上解释 $g-2$ 异常。
• 必须存在显著的 $L \sim m_{3/2}$ 才能解释 $g-2$ 异常，且 $L$ 在数值上超过引力子质量 $m_{3/2}$。
• 在可行区域内，胶球夸克质量被限制在 $\leq 4\,\text{TeV}$，中性子质量在 $\leq 2\,\text{TeV}$ 以内，温尼奥暗物质质量在 $\leq 2\,\text{TeV}$ 以内。
• 该情景预测了一种特殊的规范费米子质量关系 $M_{\text{wino}} \propto m_{3/2} + L$，可能在对撞机中作为决定性信号。
• 具有隔离缪子多重态或 Higgs 媒介的 UV 模型可生成大 $L$，同时抑制轻子味破坏与电子 EDM。
• 若 $L$ 中存在 CP 相位，将导致 muon EDM 非零，该信号可在 J-PARC 进行检验，为该情景提供决定性信号。