[论文解读] The collider tests of a leptophilic scalar for the anomalous magnetic moments

Ning Chen, Bin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 22

一句话总结

该论文提出了一种质量范围为10–1000 GeV、与轻子具有O(0.1)–O(1)汤川耦合的CP破坏轻子偏好标量介子，可同时解释μ子和电子反常磁矩观测到的异常。该模型预测未来对撞机中可观测的信号，其中HL-LHC、CEPC和μ子对撞机有望通过OSSF末态和不变质量切片，在早期阶段完全探测到该基准质量范围。

ABSTRACT

We study the anomalous muon and electron magnetic moments by introducing a scalar with CP-violating Yukawa couplings to the lepton sector. By fitting these two magnetic moments with the recent experimental measurements, we find that such a leptophilic scalar in the mass range of $\mathcal{O}(10)- \mathcal{O}(1000 )\, m GeV$ can be a possible source for the current experimental deviations from the Standard Model (SM) predictions, with $\mathcal{O}(0.1) - \mathcal{O}(1)$ Yukawa couplings. The current electron and muon EDM constraints to the general CP-violating Yukawa couplings are discussed. We propose to search such a leptophilic scalar mediated at the future high-luminosity LHC (HL-LHC) runs, as well as the high-energy lepton colliders, including the CEPC and the muon collider. Our results show that the leptophilic scalar in the mass range of $\mathcal{O}(10)- \mathcal{O}(1000 )\, m GeV$ can be fully probed by the future experimental searches at the HL-LHC and the lepton colliders at their early stages.

研究动机与目标

• 解决μ子反常磁矩（g-2）长期存在的差异以及新观测到的电子g-2异常。
• 构建一个最小的BSM模型，其中包含一个CP破坏的标量，其优先耦合至轻子，避免产生大的味改变效应。
• 评估在当前电子和μ子电偶极矩（EDM）约束下，此类标量的可行性。
• 为未来高亮度和高能轻子对撞机提出切实可行的对撞机搜索策略，以实现该标量的直接探测。
• 评估HL-LHC、CEPC和μ子对撞机在完整质量范围内对所提模型的发现能力。

提出的方法

• 引入一个具有CP破坏汤川耦合的复标量单重态，耦合至三个带电费米子世代。
• 对μ子反常磁矩Δaμ = (274 ± 73)×10⁻¹¹和电子反常磁矩Δae = (−87 ± 36)×10⁻¹⁴的实验数据进行全局拟合，以约束汤川耦合和标量质量。
• 纳入来自电子和μ子EDM测量的约束，使用最新的ACME和BNL限制。
• 在HL-LHC和未来轻子对撞机上，对4e、4μ和2e2μ末态的信号和SM背景事件进行模拟。
• 应用运动学切片：不变质量窗口 |Mℓℓ − mϕ| < 0.1mϕ，μμ末态的快度不对称性 |η(μ₁⁻)| > 0 且 |η(μ₁⁺)| < 0，以及ee末态的横动量切片 pT(e±) < 900 GeV。
• 通过信号与背景显著性（S/√B）和实现5σ发现所需的积分亮度，预测各对撞机的发现灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的CP破坏轻子偏好标量能否同时解释μ子和电子反常磁矩异常？
• RQ2 当前电子和μ子EDM测量对可行参数空间有何约束？
• RQ3 该标量模型在HL-LHC、CEPC和未来μ子对撞机中可及性如何？
• RQ4 在各对撞机中，最大化发现潜力的最优末态和运动学切片是什么？
• RQ5 该模型是否可在未来对撞机运行的早期阶段被探测到，特别是对高质标量？

主要发现

• 质量范围为10–1000 GeV、汤川耦合为0.1–1.0量级的轻子偏好标量，可同时解释μ子和电子g-2测量中观测到的偏差。
• HL-LHC在3000 fb⁻¹亮度下，可通过4e末态探测10–200 GeV范围内的标量，排除Z共振区。
• 在240 GeV能量下运行的CEPC，可通过约10⁻³至10⁻¹ fb⁻¹的积分亮度探测所有三种末态（4e、4μ、2e2μ），包括Z共振区。
• 对于高质标量（200–1000 GeV），在3 TeV能量下运行的μ子对撞机，可在早期阶段通过约10⁻⁴至1 fb⁻¹的积分亮度完全探测基准模型。
• 在μ子对撞机上，对于mϕ = 900 GeV的4μ末态，经最优运动学切片后，显著性可达S/√B ≈ 98.24（10 fb⁻¹亮度）。
• 背景抑制效果显著：在mϕ = 600 GeV的4μ末态中，背景事件数从4.59减少至0.018，而信号保持较高水平。