[论文解读] New physics explanations of $a_\mu$ in light of the FNAL muon $g-2$ measurement

Peter Athron, Csaba Balázs+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 343被引用 20

一句话总结

本文利用新的费米实验室 $g-2$ 测量结果，研究了μ子反常磁矩 $a_\mu$ 的新物理解释。研究发现，只有具有手征性增强的模型——如特定的两Higgs双峰模型和轻子球子模型，或MSSM中的Bino类LSP——才能同时解释 $a_\mu$ 和暗物质约束，而其他许多模型则因LHC和暗物质限制被排除。

ABSTRACT

The Fermilab Muon $g-2$ experiment recently reported its first measurement of the anomalous magnetic moment $a_\mu^{ extrm{FNAL}}$, which is in full agreement with the previous BNL measurement and pushes the world average deviation $\Delta a_\mu^{2021}$ from the Standard Model to a significance of $4.2\sigma$. Here we provide an extensive survey of its impact on beyond the Standard Model physics. We use state-of-the-art calculations and a sophisticated set of tools to make predictions for $a_\mu$, dark matter and LHC searches in a wide range of simple models with up to three new fields, that represent some of the few ways that large $\Delta a_\mu$ can be explained. In addition for the particularly well motivated Minimal Supersymmetric Standard Model, we exhaustively cover the scenarios where large $\Delta a_\mu$ can be explained while simultaneously satisfying all relevant data from other experiments. Generally, the $\Delta a_\mu$ result can only be explained by rather small masses and/or large couplings and enhanced chirality flips, which can lead to conflicts with limits from LHC and dark matter experiments. Our results show that the new measurement excludes a large number of models and provides crucial constraints on others. Two-Higgs doublet and leptoquark models provide viable explanations of $a_\mu$ only in specific versions and in specific parameter ranges. Among all models with up to three fields, only models with chirality enhancements can accommodate $a_\mu$ and dark matter simultaneously. The MSSM can simultaneously explain $a_\mu$ and dark matter for Bino-like LSP in several coannihilation regions. Allowing under abundance of the dark matter relic density, the Higgsino- and particularly Wino-like LSP scenarios become promising explanations of the $a_\mu$ result.

研究动机与目标

• 评估新的费米实验室 $g-2$ 测量结果对标准模型之外物理学的影响。
• 识别最多包含三个新场的可行模型，以解释 $a_\mu$ 的 4.2\sigma 偏差。
• 评估 $a_\mu$ 解释与暗物质遗迹密度及LHC搜索约束的相容性。
• 系统性地探索最小超对称标准模型（MSSM）中能同时解释 $a_\mu$ 和暗物质的场景。
• 确定在 $a_\mu$、暗物质和LHC数据的联合约束下，哪些模型仍具有可行性。

提出的方法

• 利用最先进的计算方法，对包含最多三个新场的广泛简化模型中的 $a_\mu$ 进行计算。
• 应用复杂的工具包，预测参数空间中 $a_\mu$、暗物质遗迹密度和LHC信号。
• 施加来自LHC搜索和直接/间接暗物质探测实验的严格约束。
• 聚焦于具有增强手征性翻转的模型，这类模型对于在不违反其他约束的前提下产生大 $a_\mu$ 贡献至关重要。
• 对MSSM参数空间进行全面扫描，以识别Bino类、Higgsino类和Wino类LSP的共湮灭区域。
• 同时考虑暗物质遗迹密度的不足和过量，以评估模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些最多包含三个新场的简化模型能够解释标准模型之外的 $4.2\sigma$ 偏差？
• RQ2 LHC搜索和暗物质实验的约束如何限制 $a_\mu$ 解释的可行参数空间？
• RQ3 手征性增强相互作用在实现 $a_\mu$ 解释的同时与其它数据保持一致方面起到什么作用？
• RQ4 在MSSM中，哪些LSP类型（Bino、Higgsino、Wino）能够同时解释 $a_\mu$ 和观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ5 在新的 $a_\mu$ 测量结果下，是否存在特定版本的两Higgs双峰或轻子球子模型仍具有可行性？

主要发现

• 具有大 $a_\mu$ 偏差的模型通常需要较小的新粒子质量和/或较大耦合，往往与LHC约束冲突。
• 只有具有手征性增强的模型才能同时解释 $a_\mu$ 和观测到的暗物质遗迹密度。
• 两Higgs双峰和轻子球子模型仅在特定参数范围和特定模型变体中能解释 $a_\mu$。
• 在MSSM中，Bino类LSP可在多个共湮灭区域同时解释 $a_\mu$ 和暗物质。
• 当允许暗物质遗迹密度不足时，Higgsino类以及特别是Wino类LSP情景成为有希望的解释。
• 新的 $a_\mu$ 测量结果排除了大量先前考虑的模型，显著限制了新物理的可行参数空间。