[论文解读] Probing light dark matter with scalar mediator: muon $(g-2)$ deviation, the proton radius puzzle

Bin Zhu, Xuewen Liu|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本文在有效场论框架下提出了一种MeV量级的、味特定的标量中介子，通过与μ子和下夸克的耦合，同时解释了μ子g-2异常和质子电荷半径之谜。该模型通过将中介子主要引导至亚MeV暗物质，避开了高强度实验的约束，此外通过额外的Majoron中介解决了暗物质过量产生和ΔN_eff的问题。

ABSTRACT

Flavor specific scalar bosons exist in various proposed extensions of the Standard Model and are motivated to couple to single generation of fermions through a global flavor symmetry breaking mechanism. We propose the MeV flavor specific scalar model in an effective field theory approach, where muon g-2 anomaly and proton radius puzzle can be explained remarkably through the coupling with muon and down-quark simultaneously. The framework is consistent with the null result of high intensity searches. In particular the E137 constraint is safely ignored by assuming mediator decaying into sub-MeV dark matter dominantly. The existence of sub-MeV dark matter results in over-production of dark matter and $\Delta N_{\mathrm{eff}}$ constraint, which can be solved by introducing additional Majoron mediator. We also investigate the searches for mediator and dark matter and their implications on viable parameter space such as supernova cooling on muon coupling, atomic physics constraint, direct detection for light boosted dark matter.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内解决长期存在的μ子(g-2)异常和质子半径之谜。
• 构建一个味特定的标量模型，通过全局味对称性自发破缺，选择性地耦合至μ子和下夸克。
• 确保与高强度实验的零结果相容，特别是E137实验的约束。
• 通过额外的Majoron中介子解决暗物质过量产生和ΔN_eff约束问题。
• 利用超新星冷却、原子物理和加速轻暗物质直接探测的约束，映射出可行的参数空间。

提出的方法

• 采用有效场论方法，建模一个味特定的标量中介子，其与μ子和下夸克有耦合。
• 假设该标量中介子主要衰变为亚MeV暗物质，以避开高强度实验中E137的约束。
• 引入Majoron中介子以抑制暗物质的过量产生，并满足大爆炸核合成与宇宙微波背景观测所得的ΔN_eff界限。
• 应用超新星冷却的约束，以限制μ子耦合强度。
• 评估原子物理约束对中介子与电子及轻原子耦合的影响。
• 在该模型的参数空间背景下，评估轻的、加速的暗物质直接探测的前景。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的MeV量级标量中介子能否同时解决μ子g-2异常和质子半径之谜？
• RQ2 该模型如何在保持与μ子和夸克耦合的同时，避开对轻标量中介子的严格E137约束？
• RQ3 何种机制可防止亚MeV暗物质的过量产生并避免违反ΔN_eff界限？
• RQ4 超新星冷却和原子物理约束如何限制μ子耦合的参数空间？
• RQ5 在该模型中，对轻的、加速的暗物质直接探测有何影响？

主要发现

• 该模型通过标量中介子与μ子和下夸克的耦合，成功解释了μ子g-2偏差和质子半径之谜。
• 中介子主要衰变为亚MeV暗物质，使该模型能够安全避开高强度实验中E137的约束。
• 引入Majoron中介子解决了暗物质的宇宙学过量产生问题，并满足ΔN_eff的约束。
• 超新星冷却对μ子耦合提供了强约束，将其强度限制在亚GeV量级。
• 原子物理约束，特别是精密光谱学的限制，进一步压缩了中介子与轻费米子耦合的参数空间。
• 在参数空间的某些区域，轻的、加速的暗物质直接探测仍具可行性，尤其当中介子较轻且暗物质弱相互作用时。