[論文レビュー] Charged Higgs bosons from the 3-3-1 models and the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies

Wei Ma, Yue Chong-Xing|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、B中間子の半レプトン崩壊における観測された$\mathcal{R}(D^{(*)})$の異常が、3-3-1モデルにおける電荷を帯びたヒッグスボソンによって説明可能かどうかを調査している。実験的測定値は、それぞれ標準模型予測を3.3σおよび4σ上回っており、広いパラメータ空間、特に$\tan\beta \lesssim 20$および$m_{H^+} \in [540, 1000]$ GeVの範囲で、3-3-1モデルが$\mathcal{R}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$、$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$の異常を妥当に説明可能であることが判明した。主な制約は$B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$の分支比に起因する。

ABSTRACT

Several anomalies in the semileptonic B-meson decays such as $\mathcal{R}(D^{(*)})$ have been reported by $BABAR$, Belle, and LHCb collaborations recently. In this paper, we investigate the contributions of the charged Higgs bosons from the 3-3-1 models to the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies. We find that, in a wide range of parameter space, the 3-3-1 models might give reasonable explanations to the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies and other analogous anomalies of the B meson's semileptonic decays.

研究の動機と目的

• 3-3-1モデルにおける電荷を帯びたヒッグスボソンが、B中間子の半レプトン崩壊において観測された$\mathcal{R}(D^{(*)})$の異常を説明可能かどうかを調査すること。
• $\mathcal{R}(D^{(*)})$にとどまらず、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$、$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$を含めた新たな物理の補足的プローブとしての分析を拡張すること。
• 最新の$B \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$、$B \to X_c\tau\bar{\nu}_\tau$、および$B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau$崩壊の実験的データを用いて、3-3-1モデルのパラメータ空間を制約すること。
• 複数の崩壊モードにおける標準模型予測からの観測されたずれを説明できる3-3-1モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 研究では、ゲージ群$SU(3)_C \times SU(3)_L \times U(1)_X$を有する3-3-1モデルを採用し、電荷は$Q = T_3 + \beta T_8 + X I$で定義される。ここで$\beta = \pm 1/\sqrt{3}$とすることで、特異な電荷を避ける。
• モデルには物理的電荷を帯びたヒッグスボソン$H^\pm$、CP奇性の$A$、CP偶性の$H_a$スカラーが含まれ、これらは標準模型フェルミオンと結合し、半レプトン崩壊における新しい寄与を媒介する。
• 理論的予測値$\mathcal{R}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$、$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$は、3-3-1モデルの有効ラグランジアンから導かれた行列要素を用いて計算された。
• パラメータ空間は$\tan\beta$と$m_{H^+}$のスキャンを実施し、BaBar、Belle、LHCbの実験的平均値を用いて$B \to \tau\bar{\nu}_\tau$および関連崩壊モードの制約を適用した。
• $\tau$検出の系統的不確かさを低減するために、$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi} = \mathcal{B}(B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau)/\mathcal{B}(B \to \tau\bar{\nu}_\tau)$の比を分析に組み込んだ。
• 数値的結果は、実験的上限および標準模型予測と比較され、$\tan\beta$–$m_{H^+}$平面における妥当な領域を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3-3-1モデルにおける電荷を帯びたヒッグスボソンは、$B \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$崩壊における観測された$\mathcal{R}(D^{(*)})$の異常を説明可能か？
• RQ2 3-3-1モデルにおいて、$\mathcal{R}(D^{(*)})$の異常を説明しつつ、$B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$の制約を満たす$\tan\beta$および$m_{H^+}$の許容パラメータ空間は何か？
• RQ3 $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$および$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$の異常は、$\tau$検出の系統的不確かさにあまり依存しないため、3-3-1モデルはそれらをどの程度説明可能か？
• RQ4 $B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau$および$B \to X_c\tau\bar{\nu}_\tau$崩壊からの制約は、3-3-1モデルが$\mathcal{R}(D^{(*)})$の異常を説明可能かどうかにどのように影響するか？

主な発見

• $0 < \tan\beta \lesssim 20$および$540\,\text{GeV} \leq m_{H^+} \leq 1000\,\text{GeV}$の範囲では、3-3-1モデルが$\mathcal{R}(D^{(*)})$の異常を妥当に説明可能であり、この範囲で標準模型予測からの最大のずれが観測される。
• $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$の異常について、$\tan\beta$の許容範囲はBaBarで$27 \sim 145$、Belleで$0 \sim 108$であり、共通の妥当領域が存在することが示された。
• $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$比は$\tan\beta$および$m_{H^+}$に敏感であり、$0 < \tan\beta \lesssim 20$の範囲で、$m_{H^+} \in [540, 1000]$ GeVの間で3-3-1モデルが異常を説明可能である。
• $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$についても、同じ$\tan\beta$および$m_{H^+}$の範囲でモデルが妥当な説明を提供しており、実験的上限値2.62がモデル予測と整合的である。
• $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$の分支比測定値が、特に$\tan\beta \lesssim 20$の範囲で、3-3-1モデルのパラメータ空間に対して最も強い制約をもたらしている。
• $D^{(*)}$、$X_c$、$\pi$の複数の崩壊モードの組み合わせ分析により、電荷を帯びたヒッグスボソンの交換を伴う3-3-1モデルが、異なる最終状態において観測された異常を一貫して説明可能であることが確認され、新物理フレームワークとしての妥当性が支持された。