[論文レビュー] $b ightarrow s \mu^+ \mu^-$ anomalies and related phenomenology in $U(1)_{B_3 - x_\mu L_\mu - x_ au L_ au}$ flavor gauge models

Pyungwon Ko, Takaaki Nomura+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 73被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、B中間子崩壊におけるb → sμ⁺μ⁻異常を説明するため、U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} フレーバー規範模型を提案する。レプトンフレーバー非一様なU(1)X荷重（特にxₘ = −1/3）を割り当てることで、TeVスケールのZ′ボソンを生成し、ウィルソン係数∆Cₘ⁹ ≈ −1の大きな負のシフトを誘導する。このシフトはLHCbのデータと整合的である。最小限のモデルは、タイプIのシー・スイッチによってニュートリノ質量を説明し、ディラックフェルミオンによってダークマターを説明する。また、LFV、Bs–B̄s混合、および残存密度の制約を満たしている。

ABSTRACT

We propose a generation dependent lepton/baryon gauge symmetry, $U(1)_{B_3 - x_\mu L_\mu - x_ au L_ au} \equiv U(1)_X$ (with $x_\mu + x_ au =1$ for anomaly cancellation), as a possible solution for the $b ightarrow s \mu^+ \mu^-$ anomalies. By introducing two Higgs doublet fields, we can reproduce the observed CKM matrix, and generate flavor changing $Z'$ interactions in the quark sector. Thus one can explain observed anomalies in $b o s \ell^+ \ell^-$ decay with the lepton non-universal $U(1)_X$ charge assignments. We show the minimal setup explaining $b o s \ell^+ \ell^-$ anomalies, neutrino masses and mixings and dark matter candidate, taking into account experimental constraints of flavor physics such as charged lepton flavor violations and the $B_s$--$\bar B_s$ mixing. Finally we discuss collider physics focusing on $Z'$ production at the Large Hadron Collider and relic density of our dark matter candidate.

研究の動機と目的

• LHCbが観測したP′₅およびRK/RK*のずれを含む、B中間子崩壊における持続的なb → sμ⁺μ⁻異常を説明すること。
• レプトンフレーバー非一様な荷重を持つ、最小限で異常なしのU(1)Xゲージ模型を構築し、必要なZ′媒介FCNCを自然に生成すること。
• b → sμ⁺μ⁻異常、タイプIのシー・スイッチによるニュートリノ質量、および1つの枠組み内でディラックフェルミオンとしてのダークマター候補を統合的に説明すること。
• 電荷レプトンフレーバー非保存（μ → eγ）、Bs–B̄s混合、および残存密度からの実験的制約を用いてモデルを制約し、フレーバー物理学と整合することを保証すること。
• LHCにおける観測可能なシグネチャを予測すること。具体的には、Z′の二レプトンおよびモノジェット＋欠落運動量チャネルにおける生成を含み、ダークマター候補の妥当性を評価すること。

提案手法

• U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} ゲージ対称性を導入し、異常キャンセリングを保証するためxₘ + xₜ = 1を満たす。標準模型フェルミオンにフレーバー依存のU(1)X荷重を割り当てる。
• 2つのヒッグスダブルレットを用いて現実的なCKM行列を生成し、2番目のヒッグス（Φ₁）にU(1)X荷重を割り当てることで、クォーク質量行列の小さな非対角項を誘導する。
• Z′交換によるb → sμ⁺μ⁻の有効相互作用を導出し、負のxₘ（例：xₘ = −1/3）が∆Cₘ⁹ ≈ −1をもたらし、グローバルフィットと一致することを示す。
• 2つの標準模型ノルムスカラーフィールドを用いてタイプIのシー・スイッチ機構によりニュートリノ質量行列を構築し、U(1)X対称性の破れによってメジャナナ質量が生成されることを示す。
• 電荷レプトンフレーバー非保存（μ → eγ）、Bs–B̄s混合、およびZ′によるミュオンのg−2への寄与を計算し、実験的制約を適用する。
• LHCにおけるZ′生成断面積（pp → Z′ → μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻, νν̄）を推定し、ディラックフェルミオンダークマター候補の残存密度をmicrOMEGAsを用いて評価する。共鳴消失効果を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンフレーバー非一様な荷重を持つU(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} ゲージ模型は、観測された∆Cₘ⁹ ≈ −1を説明できるか、特にb → sμ⁺μ⁻異常を説明できるか？
• RQ2 Z′とスカラーの寄与が、きびしい実験的制約を満たすために、Bs–B̄s混合の振幅においてキャンセルする方法は何か？
• RQ3 電荷レプトンフレーバー非保存（μ → eγ）および将来のμ → e変換実験からの制約は、モデルのパラメータ空間にどのような制限を課えるか？
• RQ4 このモデルは、同時にニュートリノ質量、妥当なディラックフェルミオンダークマター候補、およびLHCの素粒子物理学的性質を説明できるか？
• RQ5 LHCにおけるZ′生成とダークマターの残存密度のための妥当なパラメータ領域は何か？また、それらは{mZ′, gX}パラメータ空間をどのように制約するか？

主な発見

• ミュオンに対して負のU(1)X荷重（xₘ = −1/3）を割り当てることで、∆Cₘ⁹ ≈ −1が得られ、これはLHCbのP′₅およびRK/RK*データに対するグローバルフィットと整合的である。
• モデルは、Z′とスカラーの寄与が混合振幅においてキャンセルする場合にのみ、Bs–B̄s混合の実験的制約を満たす。これはパラメータの微調整を要する。
• Z′ → νₜν̄ₜの分岐比は、Z′ → νₘν̄ₘの約16％であり、LHCにおけるモノジェット＋欠落運動量チャネルで検出可能である。
• mZ′ = 1.5 TeVおよびgX = 0.6の場合、Z′生成断面積は約1 fbと推定され、二レプトンモード（μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻）はLHCのジェット共振探索によって制約を受ける。
• ディラックフェルミオンダークマター候補の残存密度は、mZ′ ≈ 2mXの領域で、Z′を介した共鳴消失によりプランク観測（Ωh² = 0.1206 ± 0.0063）と整合的である。
• Fermi-LATなどの間接検出制約から安全である。主な消失チャンネル（χχ̄ → Z′ → τ⁺τ⁻）の断面積は、mZ′ > 500 GeVのとき、ガンマ線制限をはるかに下回る。