[論文レビュー] A simple model to explain the observed muon sector anomalies and small neutrino masses

Lobsang Dhargyal|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、標準模型の最小限の拡張として、新しいU(1)Fゲージ対称性、重いフェルミオン的レプトン、レプトクォーク、不活性ヒッグスダブルット、右手型メジャナネーター中性子を備えたモデルを提案する。このモデルは、ミュオンのg-2の異常、R(K*)およびP5'の異常を同時に説明するとともに、スコトジェニックメカニズムによって小さなニュートリノ質量を生成し、B中間子の崩壊およびフラバー物理学からの厳密な実験的制約を満たしている。

ABSTRACT

Since its inception, no decisive departure from the predictions of Standard Model (SM) has been reported. But recently various experiments have observed few hints of possible departure from SM predictions in lepton flavor universality observables such as $R_{K^{(*)}}$, $P_{5}^{'}$, muon (g-2), $R(D^{(*)})$ etc. Many of these observable where deviation from SM in the range of (2-4)$σ$ were observed are related to muon ($μ$) lepton. So these deviations may be some hint of a possible New Physics (NP) in the muon sector. In this work we extend the SM by introducing two SM singlet heavy charged leptons ($F_{e},\ F_μ$) whose left handed components are charged under a new $U(1)_{F}$ gauge symmetry, one color triplet lepto-quark ($ϕ_{Q}$) doublet under $SU(2)_{L}$, one inert Higgs doublet ($ϕ_{l}$), three very heavy Majorana neutrinos ($N_{iR}$), all of which are odd under a $Z_{2}$ discrete symmetry. One more scalar ($ϕ$) charged only under the $U(1)_{F}$ whose VEV give masses to the $U(1)_{F}$ gauge boson as well as the heavy leptons. With these new particles, we show that the observed anomalies in the muon sector as well as small neutrino masses can be explained with taking into account all the other experimental and theoretical constrains till date.

研究の動機と目的

• ミュオン系における長年の異常、すなわち(g-2)、R(K*)、P5'の観測量を同時に説明すること。
• 重い右手型メジャナネーター中性子を含む1ループのスコトジェニックメカニズムによって小さなニュートリノ質量を生成すること。
• 新しいU(1)Fゲージ対称性を用いて、これらの現象を1つの理論的枠組みで統一する最小で異常のないモデルを構築すること。
• B0-B̄0混合、b→sγ、およびBs→μμの崩壊からの厳密な実験的制約と整合性を持つこと。
• 観測されたずれを説明しつつ、既存の制約に反しない、妥当なパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• 新しいU(1)Fゲージ対称性の下で変換する2つのSMノーカーの重い荷電レプトン（Fe, Fμ）を導入し、Fμがミュオンと結合することで(g-2)とR(K*)の異常を説明する。
• SU(2)L下で三重項の色をもつレプトクォーク（ϕQ）と複素不活性ヒッグスダブルット（ϕl）を仮定し、Z2対称性の下で奇数であるようにすることで、木レベルのFCNCを抑制する。
• U(1)Fに荷重される新しいスカラーϕを導入し、真空期待値（VEV）をとることで、U(1)Fゲージボソンおよび重いレプトンに質量を与える。
• 3つの重い右手型メジャナネーター中性子（NiR）を導入し、不活性ヒッグスダブルットと結合させることで、1ループのスコトジェニックメカニズムによってメジャナニュートリノ質量を生成する。
• FμとϕQを含むボックス図を用いて、有効なウィルスン係数C9^NP = -C10^NP ≈ -0.66を生成し、R(K*)およびP5'データのグローバルフィットと一致させる。
• Z2対称性を導入することで、最も軽い不活性スカラー（H0）がダークマター候補として保護され、フラバー保存型の相互作用が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのモデルが、ミュオンの(g-2)で観測された3.6σのずれ、R(K*)で2.6σの異常、P5'で2.2σの異常を同時に説明できるか。
• RQ2 木レベルのフレーバー変換中性子電流を避ける一方で、1ループで小さなニュートリノ質量を生成する方法は何か。
• RQ3 Bs→μμ、B0-B̄0混合、b→sγからの厳密な制約を満たす、妥当なパラメータ領域は何か。
• RQ4 他の精密電弱およびフラバー観測量と矛盾しない範囲で、観測されたミュオンの(g-2)異常をモデルが説明できるか。
• RQ5 最も軽い不活性スカラー（H0）は、この枠組みで妥当なダークマター候補となり得るか。また、そのリリック密度に顕著な寄与をもたらすか。

主な発見

• モデルは、R(K*)およびP5'異常へのグローバルフィットと整合的に、1σでC9^NP = -C10^NP ≈ -0.66のNPウィルスン係数を生成する。
• Bs→μμの予測ブランチング比は2.63×10⁻⁹であり、実験値（2.8⁺⁰.⁷₋₀.⁶×10⁻⁹）の1σ内にあり、このモードからの厳密な制約を満たしている。
• b→sγへの寄与は、μH=2mWで|C7 + 0.24C8| ≈ 2.5×10⁻³であり、2σの実験的境界（0.07）をはるかに下回っており、データと整合的である。
• モデルはC_D̄D^NP ≈ 3.4×10⁻⁸ TeV⁻²を予測し、|C_D̄D^Exp| < 2.7×10⁻⁷ TeV⁻²の2σ境界内にあり、十分に満足している。
• スコトジェニックメカニズムにより、Yukawa結合|h₁₁|² ≈ 10⁻⁷および重いメジャナニュートリノ質量スケール~2.6×10⁷ GeVを用いて、約0.04 eVのニュートリノ質量が生成される。
• 最も軽い不活性スカラーH₀は妥当なダークマター候補であるが、ミュオンの(g-2)を説明するために必要な大きなYukawa結合のため、リリック密度は無視できるほど小さい。これは宇宙論的制約と整合的である。