[论文解读] New Physics Contributions to the Muon Anomalous Magnetic Moment

Farinaldo S. Queiroz, William Shepherd|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 18

一句话总结

本文分析了简化模型中新物理在一环图贡献下对μ子反常磁矩 $a_\mu$ 的影响，提供了计算这些贡献的解析公式和 Mathematica 代码。研究识别出若干可行的新粒子——如 0.3–2 TeV 的中性标量和 4 TeV 的双电荷标量——在耦合常数为单位值时可解释观测到的 $g-2$ 偏差，同时在假设异常由其他机制解决的前提下，推导出严格的 $1\sigma$ 质量下限。

ABSTRACT

We consider the contributions of individual new particles to the anomalous magnetic moment of the muon, utilizing the generic framework of simplified models. We also present analytic results for all possible one-loop contributions, allowing easy application of these results for more complete models which predict more than one particle capable of correcting the muon magnetic moment. Additionally, we provide a Mathematica code to allow the reader straightforwardly compute any 1-loop contribution. Furthermore, we derive bounds on each new particle considered, assuming either the absence of other significant contributions to $a_\mu$ or that the anomaly has been resolved by some other mechanism. The simplified models we consider are constructed without the requirement of $SU(2)_L$ invariance, but appropriate chiral coupling choices are also considered. In summary, we found the following particles capable of explaining the current discrepancy, assuming unit couplings: $2$~TeV ($0.3$~TeV) neutral scalar with pure scalar (chiral) couplings, $4$~TeV doubly charged scalar with pure pseudoscalar coupling, $0.3-1$~TeV neutral vector boson depending on what couplings are used (vector, axial, or mixed), $0.5-1$~TeV singly-charged vector boson depending on which couplings are chosen, and $3$~TeV doubly-charged vector-coupled bosons. We also derive the following $1\sigma$ lower bounds on new particle masses assuming unit couplings and that the experimental anomaly has been otherwise resolved: a doubly charged pseudo-scalar must be heavier than $7$~TeV, a neutral scalar than $3$~TeV, a vector-coupled new neutral boson $600$~GeV, an axial-coupled neutral boson $1.5$~TeV, a singly-charged vector-coupled $W^\prime$ $1$~TeV, a doubly-charged vector-coupled boson $5$~TeV, scalar leptoquarks $10$~TeV, and vector leptoquarks $10$~TeV.

研究动机与目标

• 系统评估所有可能的新粒子在一环图中对μ子反常磁矩 $a_\mu$ 的贡献，采用简化模型。
• 为所有涉及新粒子的一环图提供解析表达式，便于直接应用于更复杂的模型。
• 在假设 $a_\mu$ 异常由其他机制解决或不存在的前提下，推导新粒子质量的模型无关下限。
• 探讨各种新粒子——标量、矢量和轻子球态——在不同耦合类型（标量、伪标量、矢量、轴矢量、手征）下解释当前 $g-2$ 偏差的可行性。

提出的方法

• 构建一个不依赖 $SU(2)_L$ 对称性的简化模型通用框架，允许灵活的新粒子内容。
• 推导出具有各种耦合类型的标量、矢量和轻子球态对 $a_\mu$ 的所有一环图贡献的解析表达式。
• 通过单位耦合假设估算可解释观测到的 $a_\mu$ 偏差的新粒子质量量级。
• 应用 $1\sigma$ 统计界限，在假设异常由其他机制解决的前提下，推导新粒子质量的下限。
• 开发 Mathematica 代码以高效计算任意一环图贡献，便于应用于真实模型。
• 考虑手征与非手征耦合结构，评估费米子手征性和耦合类型对 $a_\mu$ 的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在简化模型中，哪些新粒子可在单位耦合下解释当前μ子反常磁矩的偏差？
• RQ2 新标量、矢量和轻子球态在各种耦合类型下一环图对 $a_\mu$ 的贡献的解析表达式是什么？
• RQ3 若 $a_\mu$ 异常由其他机制解决，新粒子质量的 $1\sigma$ 下限是什么？
• RQ4 不同的耦合结构——标量、伪标量、矢量、轴矢量、手征——如何影响 $a_\mu$ 贡献的大小和符号？
• RQ5 在保守假设下，解释 $g-2$ 异常所需的新粒子的最小质量尺度是多少？

主要发现

• 纯标量耦合的中性标量若质量约为 2 TeV，可解释 $a_\mu$ 偏差；而手征耦合的标量仅需 0.3 TeV。
• 若质量约为 4 TeV，纯伪标量耦合的双电荷标量可解释该异常。
• 具有矢量、轴矢量或混合耦合的中性矢量 boson 可在 0.3 至 1 TeV 质量范围内解释该异常。
• 具有矢量耦合的单电荷矢量 boson 可在 0.5–1 TeV 质量范围内解释该异常。
• 双电荷矢量耦合的玻色子需约 3 TeV 的质量才能解决该偏差。
• $1\sigma$ 质量下限（假设异常由其他机制解决）包括：双电荷伪标量为 7 TeV，中性标量为 3 TeV，矢量耦合中性玻色子为 600 GeV，轴矢量耦合中性玻色子为 1.5 TeV，单电荷矢量耦合 $W'$ 为 1 TeV，双电荷矢量耦合玻色子为 5 TeV，标量和矢量轻子球子均为 10 TeV。