[論文レビュー] A vector leptoquark interpretation of the muon $g-2$ and $B$ anomalies

Mingxuan Du, Jinhan Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、フェルミラブのミュオン g-2 異常（Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹）とB中間子崩壊異常（R_K^{(*)} および R_D^{(*))}）を同時に説明できる、ベクトルレプトクォーク U₁ = (3,1,2/3) を提案する。左・右ヘリシティのフェルミオンに等しくカップリングすることで、Δa_μ に大きな正の寄与を生成する一方、異なるカップリングを介して R_K^{(*)} と R_D^{(*))} 異常を独立に調整でき、LHC制約と整合する1.5〜4 TeVの有効パラメータ領域が得られる。

ABSTRACT

We show that a single vector leptoquark can explain both the muon $g-2$ anomaly recently measured by the Muon g-2 experiment at Fermilab, and the various $B$ decay anomalies, including the $R_{D^{(*)}}$ and $R_{K^{(*)}}$ anomalies which have been recently reported by the LHCb experiment. In order to provide sizeable positive new physics contributions to the muon $g-2$, we assume that the vector leptoquark particle couples to both left-handed and right-handed fermions with equal strength. Our model is found to satisfy the experimental constraints from the large hadron collider.

研究の動機と目的

• フェルミラブのミュオン g-2 実験で観測された長年の差異（Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹）を解消すること。
• 特に R_K^{(*)} < 1 および R_D^{(*)} > 1 であるB中間子崩壊異常を、レプトンフラバー普遍性の破れを示唆する形で同時に説明すること。
• ペア生成、単一生成、および高運動量二レプトン探索における厳密なLHC制約を満たす単一のベクトルレプトクォークを有する最小モデルを構築すること。
• 左・右ヘリシティのカップリングが、既存の実験的制約に反しない範囲で、ミュオン g-2 に大きな正の寄与を生成するために不可欠であることを示すこと。

提案手法

• SU(3)_c × SU(2)_L × U(1)_Y における変換性が (3,1,2/3) であるベクトルレプトクォーク U₁ を仮定し、ベクトル型相互作用によって左・右ヘリシティの標準模型フェルミオンとカップリングする。
• 相互作用ラグランジアン：𝒟 = x_ij^L (Q_L^i γ_μ L_L^j) U₁^μ + x_ij^R (d_R^i γ_μ ℓ_R^j) U₁^μ + h.c. を用い、世代インデックス i,j とCKM混合行列 V を介して記述する。
• R_D^{(*)} を標準模型値より大きくするため、x_bτ = 5x_bμ と固定する。R_K^{(*)} を標準模型値未満に抑えるため、x_sμ = -0.005（x_bμ と符号が反対）と設定する。
• U₁ 交換によるミュオン自己エネルギーにおける一次ループ寄与から Δa_μ を計算し、U₁–μ–b および U₁–μ–τ 頂点からの寄与が支配的であることを特定する。
• U₁ 交換による有効ハミルトニアンを用いて、b→sℓℓ および b→cℓν 遷移における R_K^{(*)} と R_D^{(*)} を評価する。
• LHC制約として、高運動量二レプトン探索（x_bμ < 1）とペア生成レプトクォーク探索（m_U₁ > 1.5 TeV）を適用し、有効パラメータ領域を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のベクトルレプトクォークが、一貫した枠組みの中でミュオン g-2 異常と B 中間子崩壊異常（R_K^{(*)}、R_D^{(*))}）を同時に説明できるか？
• RQ2 左・右ヘリシティカップリングが、LHC制約を満たしつつ、Δa_μ に大きな正の寄与を生成するために果たす役割は何か？
• RQ3 新しい物理の寄与が符号が逆であるため、R_K^{(*)} < 1 と R_D^{(*)} > 1 を同時に説明できるか？
• RQ4 すべての現在の実験的制約（LHC）を満たす、ベクトルレプトクォークの有効な質量およびカップリング範囲は何か？
• RQ5 高運動量二レプトン探索およびペア生成レプトクォーク探索からの制約が、許容可能なパラメータ領域をどのように形作るか？

主な発見

• ベクトルレプトクォーク U₁ の1.5–4 TeVの質量範囲が有効であり、ミュオン g-2 異常（Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹）と B-崩壊異常 R_K^{(*)} および R_D^{(*))} を同時に説明可能である。
• Δa_μ に大きな正の寄与を生成するためには、左・右ヘリシティフェルミオンへのカップリング強度が等しい（x_L = x_R）必要がある。
• R_K^{(*)} 異常（R_K^{(*)} < 1）は負の x_sμ カップリングによって説明され、R_D^{(*)} 異常（R_D^{(*)} > 1）は x_bτ = 5x_bμ と大きな x_bτ カップリングによって駆動される。
• LHCの高運動量二レプトン探索制約により、m_U₁ > 3.5 TeV の場合、x_bμ > 1 は除外される。ペア生成探索により、m_U₁ < 1.5 TeV は除外される。
• 1.5 TeV から 4 TeV のパラメータ領域は、すべての現在のLHC制約と整合しており、すべての異常を同時に説明可能である。
• スカラー型レプトクォークモデルで生じる緊張を回避するため、異なるカップリング構造により R_K^{(*)} と R_D^{(*)} を独立に調整可能である。