[论文解读] Upper bound on the smuon mass from vacuum stability in the light of muon $g-2$ anomaly

So Chigusa, Takeo Moroi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 70被引用 7

一句话总结

本文通过结合μ子g−2异常与电弱真空稳定性，推导出最小超对称标准模型（MSSM）中轻子超μ子质量的上限。通过包含量子修正以固定归一化的单圈真空衰变速率先计算，表明为在保持真空稳定性的同时解释观测到的μ子g−2异常，超μ子质量必须低于1.20–1.68 TeV（取决于90%或95%置信水平），尤其当希格斯ino质量参数µ较大时。

ABSTRACT

We derive an upper bound on the smuon mass assuming that the muon $g-2$ anomaly is explained by the supersymmetric (SUSY) contribution. In the minimal SUSY standard model, the SUSY contribution to the muon $g-2$ is enhanced when the Higgsino mass parameter is large. Then, the smuon-smuon-Higgs trilinear coupling is enhanced, which may destabilize the electroweak vacuum. We calculate precisely the decay rate of the electroweak vacuum in such a case. We include one-loop effects which are crucial to determine the overall normalization of the decay rate. Requiring that the theoretical prediction of the muon anomalous magnetic moment is consistent with the observed value at the $1$ and $2\sigma$ levels (equal to the central value of the observed value), we found that the lightest smuon mass should be smaller than $1.38$ and $1.68\ { m TeV}$ ($1.20\ { m TeV}$) for $ an\beta=10$ (with $ an\beta$ being the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs bosons), respectively, and the bound is insensitive to the value of $ an\beta$.

研究动机与目标

• 本文旨在推导出MSSM中轻子超μ子质量的稳健上限，确保与观测到的μ子g−2异常一致。
• 它解决了大希格斯ino质量参数（µ）增强SUSY对μ子g−2贡献的同时，可能因增强的三线性耦合而使电弱真空不稳定的挑战。
• 研究聚焦于SUSY解释μ子g−2异常的参数区域，特别是当Bino-超μ子圈主导时。
• 旨在通过包含单圈量子修正以提高精度和规范不变性，改进以往基于树图的真空衰变率估计。
• 目标是在解释μ子g−2异常与维持长寿命电弱真空的双重要求下，对超μ子质量施加约束。

提出的方法

• 分析采用有效场论（EFT）框架，对低能MSSM进行建模，重点关注相关标量与规范场部分。
• 采用最先进的单圈方法计算虚假真空衰变速率先，包括与泡解耦合的场的量子修正。
• 通过泡作用量S_eff计算衰变速率先，其中单圈修正固定了具有量纲的前因子A，并在对数主导阶次取消了尺度依赖性。
• 计算考虑了超μ子-超μ子-Higgs三线耦合，当µ较大时该耦合被增强，并评估其对真空亚稳态的影响。
• 通过要求SUSY对μ子反常磁矩的贡献a(SUSY)_µ在1σ和2σ水平下与观测到的偏差∆a_µ一致，推导出该约束。
• 结果以恒定S_eff的等高线形式呈现，针对不同的m_R/m_L和tan β，推导出最轻超μ子质量的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 若通过SUSY贡献解释μ子g−2异常，同时保持电弱真空稳定性，MSSM中轻子超μ子的最大允许质量是多少？
• RQ2 与树图估计相比，虚假真空衰变速率先的单圈量子修正如何提高对超μ子质量上限估计的准确性？
• RQ3 超μ子质量上限如何依赖于右-左超μ子质量比（m_R/m_L）和Higgs混合参数tan β？
• RQ4 当希格斯ino质量参数µ较大时，其同时增强g−2贡献与真空不稳定性，对超μ子质量上限有何影响？
• RQ5 对SUSY对a_μ贡献的1σ与2σ置信水平要求如何影响最终的超μ子质量上限？

主要发现

• 当tan β = 10时，最轻超μ子质量必须小于1.20 TeV，才能以0σ水平（中心值）解释μ子g−2异常。
• 在1σ水平下，上限增至1.38 TeV（tan β = 10），在2σ水平下增至1.68 TeV。
• 当tan β = 50时，上限分别为1.18 TeV（0σ）、1.37 TeV（1σ）和1.66 TeV（2σ），表明对tan β不敏感。
• 与树图估计相比，单圈计算使真空衰变速率先估计降低了约O(10)倍，显著影响质量上限。
• 当右-左超μ子质量简并（m_R/m_L ≈ 1）时，上限达到最大值，表明质量劈裂起关键作用。
• 结果表明，若超μ子质量超过约1.7 TeV，则无法在MSSM中通过SUSY解释μ子g−2异常而不破坏真空稳定性，即使µ值很大。