[論文レビュー] Challenges for New Physics in the Flavour Sector

Andreas Crivellin|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 191被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、$B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$およびタウオン性 $B$ 衰えにおける偏差と、希少な崩壊および $\Delta F=2$ プロセスからの厳密な制約を両立させるモデルに焦点を当て、フレーバー領域における新しい物理（NP）の挑戦を検討する。2HDMをデカップリング限界で分析し、一般的なフレーバー構造はしばしば矛盾を引き起こすが、$Z'$ やスカラーヒッグス相互作用を含む特定のカップリングを持つモデルは、フレーバー制約に反することなく異常を説明できると判明した。

ABSTRACT

In these proceedings I present a personal perspective of the challenges for new physics (NP) searches in the flavour sector. Since the CKM mechanism of flavour violation has been established to a very high precision, we know that physics beyond the Standard Model can only contribute sub-dominantly. Therefore, any realistic model of physics beyond the Standard Model (SM) must respect the stringent constrains from flavour observables like $b o s γ$, $B_s oμ^+μ^-$, $ΔF=2$ processes etc., in a first step. In a second step, it is interesting to ask the question if some deviations from the SM predictions (like the anomalous magnetic moment of the muon or recently observed discrepancies in tauonic $B$ decays or $B o K^*μ^+μ^-$) can be explained by a model of NP without violating bounds from other observables.

研究の動機と目的

• 観測された標準模型（SM）予測からの逸脱を説明できるフレーバー領域における新しい物理モデルの妥当性を評価すること。
• $\Delta F=2$ プロセス、放射性崩壊（$b \to s\gamma$）、$B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 崩壊からの厳密な制約が、妥当なNPモデルに与える制限を分析すること。
• $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ およびタウオン性 $B$ 衰えにおける異常を説明するモデルが、同時にすべての既存するフレーバー観測量を満たせるかどうかを調査すること。
• 非ホロモーフィックカップリングや $Z'$-媒介相互作用などのフレーバー構造が、異常と制約のバランスを取る役割を果たすかを評価すること。
• 観測された $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ および $R_K$ 測定における緊張が、最小フレーバー破れ（MFM）によって説明可能か、それともより複雑なNP構造を要するかを特定すること。

提案手法

• ベンチマークモデルとして、一般のヤクダ係数を許容するデカップリング限界における2HDMを用いる。これにより、非ホロモーフィックなフレーバー変換中性荷重（FCNC）が可能となる。
• 有効場理論的手法を用いて、低エネルギーのラグランジアンを導出し、フレーバー破壊カップリングを表す $H_u^1$、$H_d^2$、および $\epsilon^{q}_{ij}$ パラメータを含む項を含める。
• NPパラメータを制約するため、$B_{s,d} \to \mu^{+}\mu^{-}$、$b \to s\gamma$、$K^0$-$\overline{K}^0$ 混合、$\mu \to e\gamma$ を含むフレーバー観測量のグローバルフィットを実施する。
• SM予測からのずれを特定するため、$B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 衰えの角度分布と $R_K$ 確率比を分析する。
• LHCb、BaBar、CDFからの実験データとモデル予測を比較し、$q^2$-依存の観測量および形式因子に依存しない測定に注目する。
• $Z'$ボソンやスカラー媒介NPモデルの妥当性を、$\Delta F=2$ および軽レプトンのフレーバー破れの制約と整合するか評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般のヤクダ係数を有する2HDMは、$B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ や $b \to s\gamma$ からの制約に反することなく、$B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 異常を説明できるか？
• RQ2 $\mu \to e\gamma$ および $K_L \to \mu^+\mu^-$ 制約は、非ホロモーフィックカップリングを持つ2HDMモデルのパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ3 $Z'$ボソンやスカラー媒介NPは、$R_K$ 異常および $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ データを説明できるが、$\Delta F=2$ および $\ell_i \to \ell_f \gamma$ 制約を満たすことができるか？
• RQ4 2HDMラグランジアンにおける $\epsilon^{q}_{ij}$ パラメータは、グローバルフレーバーフィットとの整合性にどのように影響するか？
• RQ5 非最小フレーバー構造が、$B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ データとSM予測との間の緊張に与える影響は何か？

主な発見

• 一般のヤクダ係数を有する2HDMでは、$\Delta F=2$ プロセスおよび $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ からの強い制約が生じ、ほとんどの場合NP寄与は10％未満に制限される。
• Z'ボソン交換によるモデルは、$Z'$が第三世代フェルミオンに強くカップリングする限り、$B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 異常と $R_K$ のずれを説明でき、$B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ および $\mu \to e\gamma$ 制約とも整合する。
• 特に $b \to s\mu\mu$ に $Z'$-に似たカップリングを持つスカラー媒介NPモデルは、$\Delta F=2$ 制約に反することなく、$B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 角度分布の異常を説明できる。
• $R_K$ 異常—$R_K = \text{Br}(B \to K \mu^+\mu^-)/\text{Br}(B \to K e^+e^-)$—はSMから2.5–3σのずれを示しており、軽レプトンのフレーバー非ユニバーサル性の可能性を示唆している。
• $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 角度分布は、低 $q^2$ 範囲でSM予測から顕著にずれており、特に $P_5'$ 観測量において、SMのQCD補正では説明できない。
• 非最小フレーバー構造、例えば2HDMにおける非ホロモーフィックカップリングは、通常 $\mu \to e\gamma$ および $K_L \to \mu^+\mu^-$ との間に緊張を引き起こし、妥当性を保つには微調整または追加の対称性を要する。