[论文解读] Muon g-2 in Lepton Portal Dark Matter

Y. Bai, J. Berger|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 17

一句话总结

该论文提出了一种轻子门户暗物质模型，其中包含一个实标量暗物质粒子和一个带电费米子媒介子，大量内秉自由度（$n_f \approx 30$）抑制了间接探测信号，同时使模型能够解释观测到的 $4.2\sigma$ 超出的μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$。该场景在暗物质丰度、直接探测和对撞机约束下保持一致，且暗物质与媒介子的质量均低于 200 GeV。

ABSTRACT

The Lepton Portal Dark Matter model, in which dark matter states only coupling to the charged leptons, can explain the excess of the muon anomalous magnetic moment measured by the Muon $g - 2$ experiment. In this paper, we demonstrate that real, charge-neutral scalar dark matter with a large number of internal degrees of freedom and a mass approximately degenerate with the charged fermionic mediator state can accommodate the $(g - 2)_μ$ excess. The model remains consistent with the dark matter relic abundance, direct detection, and indirect detection constraints. The dark matter and its charged fermion partner masses are constrained to be below around 200 GeV. The high-luminosity LHC and future lepton colliders, as well as indirect searches at CTA and GAMMA-400, can test this scenario.

研究动机与目标

• 使用一个可重整化的标准模型之外的模型来解释μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$ 中观测到的 $4.2\sigma$ 偏差。
• 将此 $g-2$ 超出与暗物质理论相协调，包括暗物质丰度、直接探测与间接探测约束。
• 探讨暗物质领域中内秉自由度数量 $n_f$ 的增加如何抑制间接探测信号并放松实验限制。
• 识别实标量暗物质态与带电费米子媒介子（质量均低于 200 GeV）的可行参数空间，使其满足所有约束条件。
• 识别未来实验探测手段，包括高亮度 LHC、轻子对撞机以及伽马射线望远镜（如 CTA 和 GAMMA-400）。

提出的方法

• 引入一个轻子门户暗物质模型，其中包含一个实标量暗物质粒子 $X$ 和一个带电费米子媒介子 $\psi_\ell$，通过 $\lambda \overline{\psi}_\ell \psi_\ell X$ 相互作用项耦合。
• 引入一个全局 $S_{n_f}$ 对称性，将暗物质视为 $n_f$ 个简并态的多重态，使所需耦合 $\lambda$ 降低 $1/\sqrt{n_f}$，从而拟合 $\Delta a_\mu$。
• 通过单圈计算推导μ子反常磁矩的贡献，表明 $\Delta a_\mu \propto \lambda^2 m_\mu^2 / \Lambda^2$，其中 $\Lambda \sim \text{质量劈裂}$。
• 通过求解玻尔兹曼方程并利用 $s$-通道湮灭截面，计算热退相干暗物质共湮灭过程以重现观测到的暗物质丰度。
• 应用直接探测（自旋无关散射）、间接探测（三体湮灭产生的伽马射线线）和对撞机搜索（压缩谱中的软轻子）的约束。
• 通过单圈β函数分析评估微扰性与朗道极点尺度，识别理论的紫外完成限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含实标量暗物质与带电费米子媒介子的轻子门户暗物质模型，能否在保持暗物质丰度与直接探测一致性的同时，解释观测到的 $\Delta a_\mu$ 超出？
• RQ2 增加暗物质领域中的内秉自由度数量 $n_f$ 如何抑制间接探测信号并放松伽马射线线搜索的约束？
• RQ3 满足 $\Delta a_\mu$、丰度密度与对撞机约束的暗物质与带电媒介子的质量范围为何？
• RQ4 该模型在何种能量尺度下变得非微扰？这一特性如何限制理论的紫外完成？
• RQ5 未来哪些实验——高亮度 LHC、轻子对撞机或伽马射线望远镜——最能有效检验该模型？

主要发现

• 该模型通过质量均低于约 200 GeV 的实标量暗物质粒子与带电费米子媒介子，成功解释了观测到的 $\Delta a_\mu = 251(59) \times 10^{-11}$ 超出。
• 当 $n_f = 30$ 时，为拟合 $\Delta a_\mu$ 所需的耦合 $\lambda$ 降低为原来的 $1/\sqrt{30} \approx 0.18$，使间接探测信号抑制了 $n_f^2 = 900$ 倍。
• 热退相干暗物质共湮灭过程可重现观测到的暗物质丰度，对应 $n_f \approx 45$ 至 $55$，且更大的 $n_f$ 有利于延迟朗道极点的出现。
• 该模型在 $\sim 2$ TeV 能量尺度内保持微扰性，但朗道极点出现在 $\sim 500$ GeV 至 $2$ TeV 之间，具体取决于耦合强度，表明其紫外完成存在限制。
• 未来高亮度 LHC 对压缩谱中软轻子的搜索，以及 $\sqrt{s} \gtrsim 500$ GeV 的轻子对撞机，几乎可完全探测该模型的允许参数空间。
• 通过三体湮灭产生的伽马射线线间接探测被抑制了 $n_f^2$ 倍，因此当 $n_f \gtrsim 10$ 时，其结果与 Fermi-LAT 约束一致。