[论文解读] Probing the Dark Axion Portal with Muon Anomalous Magnetic Moment

Shao-Feng Ge, Xiao-Dong Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 73被引用 11

一句话总结

本文提出了一种涉及轴子样态粒子（ALP）和暗光子的暗轴子门户情景，通过一个维度-5算符实现，旨在解释费米实验室测量到的muon反常磁矩中4.2σ的偏差。ALP与暗光子贡献之间的干涉使得在单一粒子无法解释该异常的情况下，仍存在可行的参数空间，显著扩展了标准模型之外的可行模型范围。

ABSTRACT

We propose a new scenario of using the dark axion portal at one-loop level to explain the recently observed muon anomalous magnetic moment by the Fermilab Muon g-2 experiment. Both axion/axion-like particle (ALP) and dark photon are involved in the same vertex with photon. Although ALP or dark photon alone cannot explain muon $g-2$, since the former provides only negative contribution while the latter has very much constrained parameter space, dark axion portal can save the situation and significantly extend the allowed parameter space. The observed muon anomalous magnetic moment provides a robust probe of the dark axion portal scenario.

研究动机与目标

• 解决费米实验室测量值与标准模型预测值之间muon反常磁矩的4.2σ偏差。
• 探索ALP与暗光子门户的联合作用是否能解释单一粒子无法解释的异常。
• 在同时考虑暗光子与ALP各自系统的约束下，识别ALP质量与Yukawa耦合的可行参数区域。
• 证明暗轴子门户可将可行参数空间扩展至标准模型之外，超越仅ALP或仅暗光子模型的限制。

提出的方法

• 引入一个维度-5算符，将轴子样态粒子（ALP）与光子及一个具有质量的暗光子通过场强对偶耦合。
• 利用暗轴子门户模型计算muon反常磁矩的一圈贡献，包含ALP与暗光子的自能修正与顶点修正。
• 推导出贡献的解析表达式：$ a_{\nu}^{a} \propto (y^\nu_{a})^2 $ 来自ALP，$ a_{\nu}^{\nu'} \propto \epsilon^2 $ 来自暗光子，分别具有对数依赖与质量平方倒数依赖。
• 在ALP质量 $ m_a $、Yukawa耦合 $ y^\nu_{a} $、暗光子参数 $ m_{\gamma'} $、$ \epsilon $ 上进行数值扫描，同时遵守紫外截断 $ \Lambda = 1 $ TeV。
• 利用观测到的 $ \Delta a_{\mu} = (251 \pm 59) \times 10^{-11} $ 约束允许的参数空间，识别出两种贡献相长干涉的区域。
• 证明干涉效应使得在固定 $ m_a $ 下存在两个 $ y^\nu_{a} $ 的解，从而在 $ m_a $–$ y^\nu_{a} $ 平面形成圆形允许区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过同时包含ALP与暗光子的暗轴子门户解释观测到的muon反常磁矩偏差？
• RQ2 为何仅ALP或仅暗光子的模型无法解释该异常，而该门户机制如何克服这一限制？
• RQ3 当ALP与暗光子贡献同时存在时，ALP质量与Yukawa耦合的可行参数空间结构如何？
• RQ4 ALP与暗光子贡献的渐近分离行为如何影响允许的参数区域？
• RQ5 两种贡献之间的干涉是否能导致比任一模型单独存在时更大的可行参数空间？

主要发现

• 暗轴子门户能够为muon $ g-2 $ 异常提供可行解释，而仅ALP或仅暗光子均无法解释观测到的偏差。
• 当 $ m_{\gamma'} = 100 $ GeV 且 $ \epsilon = 3 \times 10^{-3} $ 时，存在两个不同的Yukawa耦合 $ y^\mu_a = 0.082 $ 与 $ y^\mu_a = 0.22 $，可产生观测到的 $ \Delta a_\mu $，从而在 $ m_a $–$ y^\mu_a $ 平面形成圆形允许区域。
• ALP贡献 $ a^a_\mu \propto (y^\mu_a)^2 $ 为负且呈二次依赖，而暗光子贡献 $ a^{\gamma'}_\mu \propto \epsilon^2 $ 为正且受 $ m_{\gamma'}^{-2} $ 抑制，从而实现相长干涉。
• 当 $ m_a = 110 $ GeV，$ y^\mu_a = 0.082 $ 或 $ 0.22 $，且 $ m_{\gamma'} = 100 $ GeV 时，该模型重现了 $ \Delta a_\mu \approx 251 \times 10^{-11} $，与费米实验室1σ结果一致。
• 该模型表现出渐近分离行为：随着 $ m_a $ 与 $ m_{\gamma'} $ 增大，贡献减小，但干涉效应允许的粒子质量高于单一粒子模型的限制。
• 与仅ALP或仅暗光子的场景相比，参数空间显著扩展，尤其在 $ m_a \gtrsim 100 $ GeV 与 $ m_{\gamma'} \gtrsim 100 $ GeV 范围内，这是由于相反符号贡献的相互作用所致。