[论文解读] The Tiny (g-2) Muon Wobble from Small-$\mu$ Supersymmetry

Sebastian Baum, Marcela Carena+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 140被引用 10

一句话总结

本文在MSSM框架内提出了一种超对称模型，可解释观测到的4.2σ muon反常磁矩（g-2）差异，同时容纳一种Bino类暗物质候选者。对于小至中等大小的|µ|，该模型通过盲点机制规避了直接探测约束，预测了轻量级Higgsino和额外Higgs玻色子，其在高亮度LHC及未来对撞机上可观测，并提供了可在即将开展的实验中检验的基准场景。

ABSTRACT

A new measurement of the muon anomalous magnetic moment has been reported by the Fermilab Muon g-2 collaboration and shows a $4.2\sigma$ departure from the most precise and reliable calculation of this quantity in the Standard Model. Assuming that this discrepancy is due to new physics, we concentrate on a simple supersymmetric model that also provides a dark matter explanation in a previously unexplored region of supersymmetric parameter space. Such interesting region can realize a Bino-like dark matter candidate compatible with all current direct detection constraints for small to moderate values of the Higgsino mass parameter $|\mu|$. This in turn would imply the existence of light additional Higgs bosons and Higgsino particles within reach of the high-luminosity LHC and future colliders. We provide benchmark scenarios that will be tested in the next generation of direct dark matter experiments and at the LHC.

研究动机与目标

• 在标准模型之外解释muon反常磁矩（g-2）中观测到的4.2σ差异。
• 在MSSM参数空间此前未探索的区域内识别可行的暗物质候选者。
• 确保与自旋无关散射的当前直接探测约束相容。
• 预测在高亮度LHC及未来对撞机上可探测到的新轻量级Higgsino与Higgs玻色子态。
• 为下一代直接探测与对撞机实验提供可测试的基准场景。

提出的方法

• 采用最小超对称标准模型（MSSM），重点关注Higgsino质量参数|µ|的较小至中等值。
• 利用盲点条件（µ × M1 < 0）抑制Bino类暗物质的自旋无关直接探测截面。
• 对Higgs sector进行详细现象学分析，包括额外Higgs玻色子与Higgsino态。
• 在MSSM框架下计算来自chargino与Higgsino圈图对muon g-2的贡献。
• 识别满足(g-2)异常、暗物质丰度与直接探测约束的基准点。
• 利用现有与预期的实验搜索结果，评估在高亮度LHC与未来对撞机上的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在|µ|较小时，能否在MSSM框架内解释muon (g-2)异常，同时保持可行的Bino类暗物质候选者？
• RQ2 在小-µ区域，MSSM中的盲点条件如何抑制Bino暗物质的直接探测信号？
• RQ3 在此参数区域，轻量级Higgsino与额外Higgs玻色子的对撞机信号特征为何？
• RQ4 该模型能否同时满足(g-2)异常、暗物质丰度与直接探测约束？
• RQ5 该模型在高亮度LHC与未来对撞机上的可测试前景如何？

主要发现

• 由于盲点抑制效应，该模型在小至中等|µ|范围内实现了与所有当前直接探测约束相容的Bino类暗物质候选者。
• 通过MSSM中chargino与Higgsino圈图贡献，解释了(g-2)异常，其与标准模型预测的差异达4.2σ。
• 预测了轻量级Higgsino态（mχ±1 ≲ 100 GeV）与额外Higgs玻色子，其在高亮度LHC上可观测。
• 已识别出将被下一代直接探测实验（如LZ与DARWIN）探测的基准场景。
• 该模型预测在HL-LHC上可观测到电弱ino产生过程的信号，包括三轻子与缺失能量末态。
• 该参数区域受LHC搜索限制，但在当前限制下仍具可实现性，且在即将获取的数据中具有强劲的发现潜力。