[论文解读] Understanding the MiniBooNE and the muon $g-2$ anomalies with a light $Z'$ and a second Higgs doublet

Waleed Abdallah, Raj Gandhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2020

Computational Physics and Python Applications被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种统一模型，结合来自 $U(1)_{B-3L_\tau}$ 或 $U(1)_B$ 对称性的轻 $Z'$ 玻色子与双 Higgs 双重态规范结构，以同时解释 MiniBooNE 的电子型事例过剩和 μ 子 $g-2$ 异常。该 $Z'$ 玻色子通过一个暗单态标量生成质量，而扩展的 Higgs 规范结构（包含两个轻的 CP 偶态标量）可同时再现 MiniBooNE 中的能量和角度分布，并以良好一致性解释异常的 μ 子磁矩。

ABSTRACT

Two of the most widely studied extensions of the Standard Model (SM) are $a)$ the addition of a new $U(1)$ symmetry to its existing gauge groups, and $b)$ the expansion of its scalar sector to incorporate a second Higgs doublet. We show that when combined, they allow us to understand the electron-like event excess seen in the MiniBooNE (MB) experiment as well as account for the observed anomalous values of the muon magnetic moment. A light $Z'$ associated with an additional $U(1)$ coupled to baryons and to the dark sector, with flavour non-universal couplings to leptons, in conjunction with a second Higgs doublet is capable of explaining the MB excess. The $Z'$ obtains its mass from a dark singlet scalar, which mixes with the two Higgs doublets. Choosing benchmark parameter values, we show that $U(1)_{B-3L_ au}$, which is anomaly-free, and $U(1)_B$, both provide (phenomenologically) equally good solutions to the excess. We also point out the other (anomaly-free) $U(1)$ choices that may be possible upon fuller exploration of the parameter space. We obtain very good matches to the energy and angular distributions for neutrinos and anti-neutrinos in MB. The extended Higgs sector has two light CP-even scalars, $h'$ and $H$, and their masses and couplings are such that in principle, both contribute to help explain the MB excess as well as the present observed value of the muon $g-2$. We discuss the constraints on our model as well as future tests. Our work underlines the role that light scalars may play in understanding present-day low-energy anomalies. It also points to the possible existence of portals to the dark sector, i.e., a light gauge boson field $(Z')$ and a dark neutrino which mixes with the active neutrinos, as well as a dark sector light scalar which mixes with the extended Higgs sector.

研究动机与目标

• 通过新的 $U(1)$ 规范对称性与第二代 Higgs 双重态，解决长期存在的 MiniBooNE 电子型事例过剩问题。
• 在单一理论框架内解释观测到的 μ 子反常磁矩（$g-2$）差异。
• 探索可行的无异常 $U(1)$ 对称性——特别是 $U(1)_{B-3L_\tau}$ 与 $U(1)_B$——其耦合至重子与暗区，具有味非简并的轻子耦合。
• 研究轻标量（包括与 Higgs 规范结构混合的暗单态标量）在介导观测异常中的作用。
• 识别可测试的信号与约束，以供未来实验验证该模型。

提出的方法

• 引入一个新的 $U(1)$ 规范对称性，其包含一个与重子数和暗区耦合的轻 $Z'$ 玻色子，确保无异常。
• 实施一个双 Higgs 双重态模型（2HDM），其中包含两个轻的 CP 偶态标量（$h'$ 与 $H$），它们与标准模型 Higgs 混合。
• 通过与暗单态标量的混合，动态生成 $Z'$ 的质量，该标量同时也介导与暗区的相互作用。
• 利用 $Z'$ 对轻子的味非简并耦合，解释 MiniBooNE 过剩，同时满足 $\mu \to e$ 转换的约束。
• 使用 $Z'$ 介导的 $\nu_e$-型散射过程，模拟 MiniBooNE 中中微子与反中微子的能量与角度分布。
• 进行基准扫描，表明 $U(1)_{B-3L_\tau}$ 与 $U(1)_B$ 均可提供与数据高度一致的物理可行解。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自标准模型 SM 的 $U(1)$ 扩展的轻 $Z'$ 玻色子，能否在与其他低能约束一致的前提下，解释 MiniBooNE 的电子型事例过剩？
• RQ2 引入第二代 Higgs 双重态如何增强模型同时解释 μ 子 $g-2$ 异常与 MiniBooNE 过剩的能力？
• RQ3 在本框架下，$U(1)_{B-3L_\tau}$ 与 $U(1)_B$ 作为可行 $U(1)$ 对称性，其物理表现有何异同？
• RQ4 暗单态标量与两个 Higgs 双重态之间的混合，在多大程度上可生成 $Z'$ 质量并介导所需相互作用？
• RQ5 该模型的可测试预测有哪些，包括未来中微子实验与 $g-2$ 实验中的信号？

主要发现

• 该模型能以高保真度重现 MiniBooNE 中中微子与反中微子的电子型过剩事件的能量与角度分布。
• $Z'$ 玻色子通过与重子和暗区耦合，为观测到的过剩提供了可行的门户，$U(1)_{B-3L_\tau}$ 与 $U(1)_B$ 均给出同样良好的物理拟合。
• 扩展的 Higgs 规范结构（包含两个轻的 CP 偶态标量 $h'$ 与 $H$）通过圈图与树图贡献，同时对 MiniBooNE 过剩与 μ 子 $g-2$ 异常有贡献。
• $Z'$ 质量通过与暗单态标量的混合生成，该标量还使 $Z'$ 与暗区耦合，为暗物质与暗中微子提供门户。
• 该模型在 $\mu \to e$ 转换及其他低能过程的约束下保持一致，且已识别出可行的参数空间。
• 该框架暗示存在一个涉及轻 $Z'$、与活性中微子混合的暗中微子，以及与 Higgs 规范结构混合的暗标量的暗区门户——为未来实验提供可测试的信号。