[論文レビュー] $B-L$ violating nucleon decays as a probe of leptoquarks and implications for baryogenesis

Chandan Hati, Utpal Sarkar|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、$B-L$ 違反核子崩壊——特に $n \to e^{-}\pi^{+}$ や $p \to \nu\pi^{+}$ のようなモード——が、モデルに依存しない形でスカラーおよびベクトルレプトクォークを探索可能であり、Bファクトリーで観測された $B$ 崩壊の異常と直接関連付けることができると提案している。主な結果として、このような崩壊は $B-L$ 違反スケールを最大 $10^{11}$ GeV まで制約可能であり、Sphaleron の洗い流しを生き残る $B-L$ 違反による不均一性を通じて、新しいバリアジェネシス機構を提供する。

ABSTRACT

We study the effective $B-L$ violating couplings for scalar and vector leptoquarks which can naturally induce dimension seven $B-L$ violating operators leading to very interesting nucleon decay modes such as $n \ ightarrow e^- \\pi^+, e^-K^+,\\mu^- \\pi^+, \\mu^-K^+$ and $p \ ightarrow \ u \\pi^+$. This opens a new window to probe the nature and couplings of the scalar and vector leptoquarks in an ultraviolet model independent way which can provide an orthogonal probe for scalar and vector leptoquark solutions to the recent anomalous $B$-decay data. Furthermore, we also discuss how these $B-L$ violating interactions can also pave a new way to understand the origin of matter-antimatter asymmetry of the Universe.

研究の動機と目的

• スカラーおよびベクトルレプトクォークのモデルに依存しない探査として、$n \to e^{-}\pi^{+}$ や $p \to \nu\pi^{+}$ のような $B-L$ 違反核子崩壊モードが果たす役割を調査すること。
• これらの $B-L$ 違反崩壊モードが、$R_{K^{(*)}}$ および $R_{D^{(*)}}$ で観測された $B$ 崩壊の異常とどのように関連するかを明らかにすること。これらの異常は、TeV スケールでの新しい物理を示唆している。
• $B-L$ 違反相互作用がバリアジェネシスに与える影響、特に $B-L$ 不均一性が Sphaleron の洗い流しを生き残る仕組みを検討すること。
• $SO(10)$、Pati-Salam、$SU(5)$ などのGUTフレームワークにおけるこれらの相互作用のUV完備性を検討し、低スケールでのレプトクォーク質量の妥当性を評価すること。
• $n \to e^{-}\pi^{+}$ の部分的崩壊寿命と最終的なバリオン不均一性の間の相関を確立し、宇宙論的物質-反物質不均一性と核子崩壊を結びつけること。

提案手法

• スカラーおよびベクトルレプトクォークによって誘導される、$Δ(B-L) = -2$ の有効次元7の $B-L$ 違反オペレーターを構築する。
• 有効場理論的手法とレプトクォーク結合を用いて、$n \to e^{-}\pi^{+}$ や $p \to \nu\pi^{+}$ のような核子崩壊振幅を導出する。
• 核子崩壊率が $B-L$ 違反スケールとレプトクォーク質量の比にどのように依存するかを分析し、最大 $10^{11}$ GeV のスケールを間接的に探査可能であることを示す。
• 熱場理論を用いて、右巻きニュートリノの $B-L$ 違反崩壊から生じる最終バリオン不均一性を計算し、洗い流し効果を考慮する。
• 右巻きニュートリノに、$ uc uc\Delta^{c}$ 項によって生成されるメジャナナ質量を組み込み、ニュートリノ質量生成と $B-L$ 違反の関係を明確にする。
• ベンチマークパラメータ（例：$M_{S_1} = 10^{16}$ GeV、$M_{\nu^c} = 1$ TeV、$\lambda = 10^{11}$ GeV）を用いて、バリオン不均一性と核子崩壊寿命の相関を数値的に探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラーおよびベクトルレプトクォークのモデルに依存しない探査として、$n \to e^{-}\pi^{+}$ や $p \to \nu\pi^{+}$ のような $B-L$ 違反核子崩壊モードが果たせるか。
• RQ2 $R_{K^{(*)}}$ および $R_{D^{(*)}}$ での観測された $B$ 崩壊の異常は、レプトクォークの結合定数と質量にどのような制約を与えるか。また、これらは核子崩壊によって探査可能か。
• RQ3 初期宇宙における $B-L$ 違反相互作用が、Sphaleron の洗い流しを生き残るバリオン不均一性をどれほど生成できるか。
• RQ4 $B-L$ 違反相互作用が存在する下で、$n \to e^{-}\pi^{+}$ の部分的崩壊寿命と最終バリオン不均一性との間の相関はどのようなものか。
• RQ5 $SO(10)$ やパティ・サランなどのUV完備GUTモデルは、必要な $B-L$ 違反結合とレプトクォーク相互作用をどのように実現するか。

主な発見

• スカラーおよびベクトルレプトクォークによる $Δ(B-L) = -2$ の有効次元7オペレーターから、$B-L$ 違反核子崩壊モード $n \to e^{-}\pi^{+}$、$n \to \mu^{-}\pi^{+}$、$p \to \nu\pi^{+}$ が誘導される。
• これらの崩壊モードは、$B-L$ 違反スケールを最大 $10^{11}$ GeV まで探査可能であり、特にレプトクォークがTeVスケールにある場合、現在の加速器実験の探査範囲をはるかに超える。
• $R_K$ での $2.5\sigma$ のずれと $R_{K^*}$ での $2.6\sigma$ のずれは、TeVスケールのスカラーおよびベクトルレプトクォーク解と整合的であり、$B-L$ 違反核子崩壊によってテスト可能である。
• 最終バリオン不均一性は、$n \to e^{-}\pi^{+}$ の部分的崩壊寿命と相関しており、PLANK観測の不均一性比 ($Y_B \approx 8.6 \times 10^{-11}$) は、特定の $M_{\nu^c}$ と $y_{\nu^cLH}$ の値で達成可能である。
• 右巻きニュートリノがレプトクォークとほぼ同じ温度で脱結合する場合（$M_{\nu^c} \sim M_{S_1}$）、$B-L$ 不均一性の部分的洗い流しが抑制され、不均一性が保存される。
• ニュートリノ質量は $\nu^c\nu^c\Delta^c$ 項や、$B-L$ 違反頂点を含む1ループ図の両方によって生成可能であり、これらは核子崩壊によって探査可能な $B-L$ 違反スケールと関連している。