[论文解读] The CDF W-mass, muon g-2, and dark matter in a $U(1)_{L_μ-L_τ}$ model with vector-like leptons

Quan Zhou, Xiao-Fang Han|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文提出一个具有矢量型轻子的 $U(1)_{L_ au - L_ au}$ 规范模型，以同时解释CDF实验测得的 $W$ 玻色子质量异常、μ子 $g-2$ 偏差以及可行的暗物质。研究显示，为拟合 $W$ 玻色子质量与 $g-2$ 数据，矢量型轻子 $E_1$ 与 $E_2$ 之间需存在较大的质量劈裂，且左右手混合参数 $s_L$ 与 $s_R$ 需不对称。暗物质的遗迹密度可通过 $Z'$ 或 $S$ 粒子的成对产生，或当最轻的矢量型轻子接近暗物质质量时的共湮灭过程实现。

ABSTRACT

We study the CDF $W$-mass, muon $g-2$, and dark matter observables in a local $U(1)_{L_μ-L_τ}$ model in which the new particles include three vector-like leptons ($E_1,~ E_2,~ N$), a new gauge boson $Z'$, a scalar $S$ (breaking $U(1)_{L_μ-L_τ}$), a scalar dark matter $X_I$ and its partner $X_R$. We find that the CDF $W$-mass disfavors $m_{E_1}= m_{E_2}={m_N}$ or $s_L=s_R=0$ where $s_{L(R)}$ is mixing parameter of left (right)-handed fields of vector-like leptons. A large mass splitting between $E_1$ and $E_2$ is favored when the differences between $s_L$ and $s_R$ becomes small. The muon $g-2$ anomaly can be simultaneously explained for appropriate difference between $s_L$ $(m_{E_1})$ and $s_R$ $(m_{E_2})$, and some regions are excluded by the diphoton signal data of the 125 GeV Higgs. Combined with the CDF $W$-mass, muon $g-2$ anomaly and other relevant constraints, the correct dark matter relic density is mainly obtained in two different scenarios: (i) $X_IX_I o Z'Z',~ SS$ for $m_{Z'}(m_S)

研究动机与目标

• 解决CDF实验测得的 $W$ 玻色子质量与标准模型之间 $7\sigma$ 的偏差。
• 利用标准模型之外的新物理机制，解释μ子反常磁矩 ($g-2$) 的 $4.2\sigma$ 异常。
• 在相同模型框架下实现一个具有正确遗迹密度的可行暗物质候选者 $X_I$。
• 利用LHC对 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 事例的直接搜寻以及Higgs粒子双光子衰变数据对模型进行约束。
• 识别出能同时满足 $W$ 玻色子质量、$g-2$ 与暗物质三个异常现象的参数区域。

提出的方法

• 引入一个局部 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 规范对称性，包含一个新的 $Z'$ 规范玻色子、一个标量 $S$ 用于自发对称性自发破缺，以及一个复标量 $X$ 作为暗物质。
• 引入三个矢量型轻子态：一个单态 $N$，一个双重态 $E$，以及一个带撇的态 $E'$，并引入手征性混合参数 $s_L$ 与 $s_R$。
• 通过矢量型轻子对 $W$ 玻色子的圈修正，计算斜向参数 $S$、$T$、$U$，以解释CDF实验中观测到的 $W$ 玻色子质量偏移。
• 评估通过 $Z'$ 与标量 $X$ 交换对μ子 $g-2$ 的贡献，其大小取决于 $s_L$ 与 $s_R$ 混合参数。
• 通过 $X_I X_I \to Z'Z'$、$SS$ 以及涉及 $E_1$、$E_2$、$N$ 与 $X_R$ 的共湮灭过程，计算暗物质的遗迹密度。
• 应用LHC对 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 事例的直接搜寻结果，以及125 GeV Higgs粒子双光子信号，以排除部分参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有矢量型轻子的 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 模型能否同时解释CDF实验中观测到的 $W$ 玻色子质量异常与μ子 $g-2$ 偏差？
• RQ2 为同时拟合 $W$ 玻色子质量与 $g-2$ 数据，矢量型轻子扇区中所需的质量劈裂以及混合参数 ($s_L$, $s_R$) 是什么？
• RQ3 在综合约束条件下，哪些暗物质湮灭或共湮灭机制可产生正确的遗迹密度？
• RQ4 LHC对 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 事例的直接搜寻如何限制矢量型轻子与暗物质候选者的质量？
• RQ5 哪些参数区域因125 GeV Higgs粒子双光子信号或其他实验约束而被排除？

主要发现

• CDF实验中 $W$ 玻色子质量的测量结果排除了 $E_1$、$E_2$ 与 $N$ 质量简并，或混合参数 $s_L = s_R = 0$ 的情形。
• 当 $s_L$ 与 $s_R$ 的差异变小时，$E_1$ 与 $E_2$ 之间较大的质量劈裂成为优选。
• 当 $s_L$（与 $m_{E_1}$ 相关）与 $s_R$（与 $m_{E_2}$ 相关）的差异适切时，μ子 $g-2$ 异常可被解释；但大 $Z'$ 耦合区域已被Higgs双光子信号排除。
• 正确的暗物质遗迹密度可通过两种主要机制实现：(1) 当 $m_{Z'}$ 或 $m_S < m_{X_I}$ 时，$X_I X_I \to Z'Z'$ 或 $SS$；(2) 当 $\min(m_{E_1}, m_{E_2}, m_N, m_{X_R})$ 几乎与 $m_{X_I}$ 简并时，通过共湮灭过程。
• LHC对 $2\ell + E_T^{\text{miss}}$ 事例的直接搜寻施加了强约束：当 $\min(m_{E_1}, m_{E_2}) - m_{X_I} > 300$ GeV 时，最轻的矢量型轻子质量必须超过500 GeV。
• 若 $\min(m_{E_1}, m_{E_2}) - m_{X_I} < 60$ GeV 或 $> 400$ GeV，暗物质质量 $m_{X_I}$ 可低至100 GeV，具体取决于共湮灭机制。