[论文解读] The muon (g - 2) anomaly and a new light vector boson

Nikolai Krasnikov|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出，μ子（g-2）异常——观测到的与标准模型的3.6σ偏差——可通过一种与μ子弱耦合的新轻量矢量玻色子（Z′）来解释。该模型引入了无限数量的轻量矢量玻色子，集体地重现了该异常，同时避开了来自$e^+e^-$共振搜索和缺失能量实验的实验约束。

ABSTRACT

This mini review aims to outline the main experimental and theoretical results related with the search for a new light vector boson proposed as a solution of the muon $g-2$ anomaly. Additionally, I consider a model with infinite number of light vector bosons which can explain the anomaly, while still remaining consistent with current experimental bounds.

研究动机与目标

• 通过一种新的轻量矢量玻色子解释μ子反常磁矩（g-2）中3.6σ的差异。
• 解决单个Z′模型因固定靶实验和对撞机实验的实验限制而难以解释该异常的挑战。
• 提出一种包含无限多个轻量矢量玻色子的模型，这些玻色子共同贡献于μ子g-2，而不会产生窄共振态。
• 表明此类模型在当前实验限制下仍保持一致，特别是来自NA64和BaBar的限制。
• 探讨无限矢量场谱是否可能通过额外维度的紧化和动能混合从五维规范场中产生。

提出的方法

• 使用一阶量子修正计算Z′玻色子对μ子反常磁矩的贡献，通过函数$ F(x) = \int_0^1 dz \frac{2z(1-z)^2}{(1-z)^2 + x^2 z} $，其中$ x = m_{Z'}/m_\mu $。
• 引入一个包含无限矢量场塔$ Z'_{\mu n} $的模型，将其组合为有效场$ Z'_{\mu,\text{eff}} = \sum_n c_n Z'_{\mu n} $，以避免窄共振信号。
• 在标准模型光子与有效Z′场之间施加动能混合：$ \mathcal{L}_{\text{mix}} = \frac{\epsilon}{2} F^{\mu\nu} Z'_{\mu\nu} $，以实现与电磁流的耦合。
• 推导出$ \delta a_\mu $的总贡献为$ \delta a = \sum_n |c_n^2| \frac{\alpha'}{2\pi} F(m_{Z'_n}/m_\mu) $，其中$ \alpha' = (g')^2/(4\pi) $。
• 考虑第五维的紧化，以从单个五维规范场实现无限矢量场塔。
• 评估来自NA64（Z′的隐形衰变）、BaBar（$ e^+e^- \to \gamma Z' $，$ Z' \to \text{隐形} $）以及Borexino（中微子-电子散射）的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个新轻量矢量玻色子（Z′）能否解释μ子g-2异常中观测到的3.6σ偏差？
• RQ2 为何具有与电磁流耦合的单个Z′模型在当前实验限制下无法解释该异常？
• RQ3 一个包含无限多个轻量矢量玻色子的模型能否在不产生$ e^+e^- $不变质量谱中共振信号的情况下重现μ子g-2异常？
• RQ4 动能混合在实现Z′与标准模型电磁流耦合而不被直接探测中起到什么作用？
• RQ5 在NA64和BaBar等固定靶实验的约束下，无限矢量场模型是否可行？

主要发现

• 对于$ m_{Z'} \ll m_\mu $的单个Z′玻色子，需满足$ \alpha' \approx (1.8 \pm 0.5) \times 10^{-8} $才能解释μ子g-2异常。
• 当$ m_{Z'} \gg m_\mu $时，所需耦合随$ \alpha' \propto m_{Z'}^2/m_\mu^2 $增加，对于$ m_{Z'} \sim 1~\text{GeV} $，$ \alpha' \approx 2.7 \times 10^{-8} $。
• 包含无限矢量玻色子的模型因信号分散在多个宽共振态上，避免了在$ e^+e^- $共振搜索中的探测。
• NA64实验排除了$ m_{Z'} \leq 100~\text{MeV} $时的Z′隐形衰变，但$ m_{Z'} \approx m_\pi $附近的小区域仍可行。
• BaBar数据中$ e^+e^- \to \gamma Z' $，$ Z' \to \text{隐形} $的分析完全排除了$ m_{Z'} \approx m_\pi $区域，从而关闭了Z′-光子混合模型的最后漏洞。
• 由紧化额外维产生的无限矢量场模型提供了一个一致的框架，既能避开当前实验限制，又能重现观测到的$ \delta a_\mu $。