[論文レビュー] $b o s\ell^+\ell^-$ Transitions in Two-Higgs-Doublet Models

Andreas Crivellin, Dario Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、一般のヤクバ係数と右巻きニュートリノを有する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）における $b \to s\ell^+\ell^-$ 遷移を検討し、有効ハミルトニアンへの1ループマッチングを実施する。右巻きニュートリノを含めることで、LHCbデータで観測された $b \to s\mu^+\mu^-$ 異常と長年のミュオン磁気モーメントの不一致 $a_\mu$ を一貫して説明可能であるが、小さなヒッグス混合による $h \to \tau\mu$ 衰えの厳密な制約が、実現可能なパラメータ空間を狭める。

ABSTRACT

In this article we study $b o sμ^+μ^-$ transitions and possible correlations with the anomalous magnetic moment of the muon ($a_μ$) within two-Higgs-doublet models with generic Yukawa couplings, including the possibility of right-handed neutrinos. We perform the matching on the relevant effective Hamiltonian and calculate the leading one-loop effects for $b o s\ell\ell^{(\prime)}$, $b o sγ$, $ΔB=ΔS=2$, $b o sν\barν$ and $\ell o\ell^\primeγ$ transitions in a general $R_ξ$ gauge. Concerning the phenomenology, we find that an explanation of the hints for new physics in $b o sμ^+μ^-$ data is possible once right-handed neutrinos are included. If lepton flavour violating couplings are allowed, one can account for the discrepancy in $a_μ$ as well. However, only a small portion of parameter space gives a good fit to $b o sμ^+μ^-$ data and the current bound on $h oτμ$ requires the mixing between the neutral Higgses to be very small if one aims at an explanation of $a_μ$.

研究の動機と目的

• LHCbデータで観測された $b \to s\mu^+\mu^-$ 異常と、長年のミュオン磁気モーメントの不一致 $a_\mu$ を、一般のヤクバ係数と右巻きニュートリノを有する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）が同時に説明可能かどうかを調査すること。
• 一般の $R_\xi$ ゲージにおける $b\to s\ell^+\ell^-$、$b\to s\gamma$、$\Delta B=\Delta S=2$、$b\to s\nu\bar{\nu}$、および $\ell\to\ell'\gamma$ 遷移に対する有効ハミルトニアンへの完全な1ループマッチングを実施すること。
• もし $a_\mu$ を説明するのなら、$h \to \tau\mu$ 衰えからの制約が、中性ヒッグス状態間の混合に強い制限を課すため、そのようなモデルの実現可能性を評価すること。
• $b\to s\ell^+\ell^-$ 異常を説明するために必要なベクトル型オペレーター（例：$O_9$）が、2HDMにおいてループ効果によって生成可能かどうかを検討すること。これは、スカラー型オペレーターだけでは不十分であることを踏まえる。

提案手法

• 一般のヤクバ係数と右巻きニュートリノを有する2HDMを、一般の $R_\xi$ ゲージにおいて $b\to s\ell^+\ell^-$、$b\to s\gamma$、$\Delta B=\Delta S=2$、$b\to s\nu\bar{\nu}$、$\ell\to\ell'\gamma$ 遷移に対する有効ハミルトニアンに1ループマッチングする。
• ゲージ不変性とループ計算の整合性を保つために、一般の $R_\xi$ ゲージを用いる。特にヒッグスおよびゲージボソンの自己エネルギーに対して有効である。
• チャージドヒッグス、中性ヒッグス、右巻きニュートリノを含む1次ループ寄与を計算し、有効ハミルトニアンにおけるスカラー型およびベクトル型オペレーターを評価する。
• 複素ヤクバ係数を含む $b\to s\ell^+\ell^-$ 遷移の振幅を体系的に評価するため、ループ関数 $f_i(b)$、$I_j(a,b)$、および $I_{11}(a,b,c)$ を導入する。
• $h \to \tau\mu$ 衰えからの制約を適用する。これは、$a_\mu$ を説明する場合、中性ヒッグス状態間の混合が小さくなければならないことを要求する。
• LHCbの $b\to s\mu^+\mu^-$ データと $a_\mu$ に最適なパラメータ空間を、すべての関連する実験的および理論的制約のもとで評価するためのグローバルフィットを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般のヤクバ係数と右巻きニュートリノを有する2HDMは、LHCbデータで観測された $b\to s\mu^+\mu^-$ 異常と、長年のミュオン磁気モーメントの不一致 $a_\mu$ を同時に説明可能か？
• RQ2 スカラー型オペレーターだけでは不十分であることを踏まえ、$b\to s\ell^+\ell^-$ データを説明するために必要なベクトル型オペレーター（例：$O_9$）が、右巻きニュートリノの存在によってループ効果で生成可能かどうか？
• RQ3 $a_\mu$ を説明する場合、$h \to \tau\mu$ 衰えからの制約が、パラメータ空間に及ぼす影響は何か？
• RQ4 $b\to s\gamma$、$b\to s\nu\bar{\nu}$、および $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合のようなループ生成過程が、この設定でも標準模型の予測と整合的であるか？
• RQ5 ヒッグス混合角が、$b\to s\mu^+\mu^-$ と $a_\mu$ の両方を同じ2HDMフレームワーク内で説明可能かどうかに与える影響は何か？

主な発見

• 一般のヤクバ係数を有する2HDMでは、右巻きニュートリノが存在しない限り、$b\to s\mu^+\mu^-$ 異常の説明は不可能である。右巻きニュートリノのおかげで、ループ効果によって必要なベクトル型オペレーターが生成可能になる。
• 右巻きニュートリノ系におけるレプトン数非保存型のヤクバ係数を含めることで、$a_\mu$ の不一致も同時に説明可能である。これは、このような係数を含まないモデルでは達成できない。
• 中性ヒッグス状態間の混合が非常に小さいパラメータ空間の一部は、$b\to s\mu^+\mu^-$ データと $h \to \tau\mu$ 衰えの制約の両方を満たすことが可能である。
• $h \to \tau\mu$ 衰えの分岐比は、CP不変およびCP奇のヒッグス状態間の混合角に強い上限を課し、$a_\mu$ を説明する場合、パラメータ空間を著しく制限する。
• 適切にウィルソン係数を調整すれば、$b\to s\gamma$ および $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合が標準模型の予測と整合的であることが保証されるが、これらの過程もパラメータ空間を制約する。
• ループ関数 $I_j(a,b)$ および $f_i(b)$ を含む有効ハミルトニアンのアプローチは、複数のヒッグス状態と右巻きニュートリノを有する環境下での $b\to s\ell^+\ell^-$ 遷移の完全な1ループダイナミクスを的確に捉えている。