[論文レビュー] Are the B-anomalies evidence for heavy neutrinos?

Xiao-Gang He, G. Valencia|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、タイプ-Iの見せかけのスケール模型における重いニュートリノが、$R_K$ および $R_{K^*}$ の偏差を示す $b \to s\mu^+\mu^-$ 衰えにおいて、ウィルソン係数 $C_9$ と $C_{10}$ を変更することによってBの異常を説明できるかを調査している。その結果、異常をフィットするには、$|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ の大きなミューオン-重いニュートリノ混合角が必要であり、これはレプトンフラバー非保存過程に対するグローバルフィットと矛盾する。

ABSTRACT

The existing anomalies appearing in decays of the form $b o s \ell^+ \ell^-$ constitute a possible hint for new physics. We point out that modifications to the SM results due to heavy neutrinos could account for the observed deviations while satisfying existing constraints from lepton flavor violating processes. The required mixing angle, however, is an order of magnitude larger than suggested by recent global fits to lepton flavor conserving processes. We frame our discussion in terms of a Type-I seesaw model, but it can be made more general.

研究の動機と目的

• タイプ-Iの見せかけのスケール模型における重いニュートリノが、レプトンフラバー非保存（LFV）制約に違反しない範囲で観測された $b \to s\mu^+\mu^-$ 異常を説明できるかどうかを評価すること。
• 測定された $R_K$ および $R_{K^*}$ の標準模型からの偏差を再現するためのミューオンと重いニュートリノ間の混合角を特定すること。
• このようなモデルが、$\mu \to e\gamma$ や $B \to \ell^+\ell^-$ などのレアな崩壊に対する既存の実験的制限と整合するかを評価すること。
• ミューオンの $g-2$ に及ぼす影響を検討し、予測されたシフトが観測された異常とどのように比較できるかを評価すること。
• グローバルフィットによるウィルソン係数のパターン、特にデータが好む $C_9 \approx -C_{10}$ のパターンと比較して、モデルの予測を検討すること。

提案手法

• 3つの軽いおよび $N \geq 2$ 個の重い右手系ニュートリノを含むタイプ-Iの見せかけのスケール模型を構築し、$(\nu_L^c, \nu_R)$ 基底におけるニュートリノ質量行列を用いる。
• トップクォークと重いニュートリノを含むボックス図を通じて、$b \to s\ell^+\ell^-$ 衰えの有効ハミルトニアンを導出し、$C_9$ および $C_{10}$ に対する新物理（NP）寄与を計算する。
• NP寄与を $C^{NP}_{9}(M_W) = -C^{NP}_{10}(M_W) = -\frac{1}{4s_W^2} \sum_N U^{L*}_{\mu N}U^{L}_{\mu N} E(\lambda_t, \lambda_N)$ として計算する。ここで $E$ はイナミ＝リム関数である。
• 放射性レプトン崩壊（$\ell \to \ell'\gamma$）およびLFV $B$ 崩壊に対する制約を、有効ラグランジアン ${\cal L} \propto \sum_N U^{L*}_{\ell N}U^{L}_{\ell'N} F(\lambda_N)$ を用いて適用する。ここで $F$ はイナミ＝リム関数である。
• Particle Data Bookの実験的制限を用いて、特に $\mu \to e\gamma$ および $B \to \mu^\pm e^\mp$ を焦点として、混合角 $U^{L}_{\ell N}$ を制約する。
• 重いニュートリノのループから予測される $g-2$ のシフトと、観測されたミューオンの異常磁気モーメントのずれを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-Iの見せかけのスケール模型における重いニュートリノが、LFV制約を満たしたまま、観測された $b \to s\mu^+\mu^-$ 異常を説明できるか？
• RQ2 グローバルフィットの1$\sigma$ 範囲内で $R_K$ および $R_{K^*}$ 異常を再現するためのミューオン-重いニュートリノ混合角 $|U^{L}_{\mu N}|$ の大きさはどの程度か？
• RQ3 このような重いニュートリノがもたらすミューオン $g-2$ への寄与は、観測されたずれとどのように比較できるか？
• RQ4 $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ の必要な混合角は、グローバルフィットによるレプトンフラバー保存過程の制約と整合するか？
• RQ5 このモデルは $R(D)$ および $R(D^*)$ 異常を同時に説明できるか、それとも追加の軽いニュートリノが必要か？

主な発見

• グローバルフィットが好む範囲で、$C_{9\mu}^{NP} \approx -C_{10\mu}^{NP}$ が $[-0.73, -0.48]$ の範囲に収まるように、モデルは $R_K$ および $R_{K^*}$ 異常を再現できる。
• 重いニュートリノ質量が $M_N = 2$ TeV の場合、異常をフィットするには $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ が必要であり、これはレプトンフラバー保存過程に対するグローバルフィットが示唆する値のおよそ10倍大きい。
• 大きな混合角 $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ は、ミューオン $g-2$ に $a_\mu = -5.7 \times 10^{-10}$ の予測シフトをもたらすが、これは実験的不確かさの範囲内ではあるが、観測された異常より小さい。
• B異常フィットとLFV制約を両方満たすパラメータ空間は狭く、$U^{L}_{eN} = 0$ の場合、主に $\tau \to \mu\gamma$ からの制約が支配的である。
• このモデルは $R(D)$ および $R(D^*)$ 異常を説明できない。他の研究が示唆するように、追加の軽いニュートリノが必要である。
• $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ の要請は、最近のグローバルフィットがこのような混合角をはるかに小さく制約していることと矛盾しており、既存のデータと矛盾する。