[論文レビュー] Clues for flavor from rare lepton and quark decays

Ivo de Medeiros Varzielas, Gudrun Hiller|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、LHCbの$R_K$測定で示唆される$B\to K\mu\mu$崩壊におけるレプトン非ユニバーサル性と、スカラー・レプトクォークおよび非アーベルなフラバー対称性を有するモデルにおけるレプトンフラバー違反（LFV）との関連を調査する。フラバー対称性の破れ場（フラヴォン）がレプトクォークとヒッグスのカップリングを結ぶことで、$R_K$の偏差と$h\to\tau\mu$、$B\to K\ell\ell'$、$\ell\to\ell'\gamma$といったLFV過程との相関が生じ、標準模型を超える新しい物理を統一的に検証するフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Flavor symmetries successfully explain lepton and quark masses and mixings yet it is usually hard to distinguish different models that predict the same mixing angles. Further experimental input could be available, if the agents of flavor breaking are sufficiently low in mass and detectable or if new physics with non-trivial flavor charges is sufficiently low in mass and detectable. The recent hint for lepton-nonuniversality in the ratio of branching fractions $B o K μμ$ over $B o K e e$, $R_K$, suggests the latter, at least for indirect detection via rare decays. We demonstrate the discriminating power of the rare decay data on flavor model building taking into account viable leptonic mixings and show how correlations with other observables exist in leptoquark models. We give expectations for branching ratios $B o K \ell \ell^\prime, B_{(s)} o \ell \ell^\prime$ and $\ell o \ell^\prime γ$, and Higgs decays $h o \ell \ell^\prime$.

研究の動機と目的

• $B\to K\mu\mu$崩壊におけるレプトンユニバーサル性からの観測された$R_K$の偏差が、スカラー・レプトクォークとフラバー対称性の破れを含む共通の新しい物理セクターによって説明可能かどうかを調査すること。
• 特に$A_4$および$SU(3)_F$対称性を用いたフラバー模型構築が、$R_K$の異常と希少崩壊におけるレプトンフラバー違反（LFV）を同時にどのように扱えるかを検討すること。
• 共通のフラバー構造を有するモデルにおいて、$R_K$、LFV崩壊（$B\to K\ell\ell'$、$\ell\to\ell'\gamma$）、ヒッグス崩壊（$h\to\ell\ell'$）の間の相関を特定すること。
• 同じフラヴォン場がニュートリノの混合パターンを生成するのと同時に$R_K$を破る相互作用を媒介できることを示し、フラバー構造と複数の希少崩壊観測量との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• データ駆動型の手法を用いて、$R_K$測定と$M\gtrsim1$ TeVの制約に基づき、レプトクォークカップリング$\lambda_{q\ell}$の妥当なフラバー構造を同定する。
• $SU(2)$二重項および三重項レプトクォークの有効ラグランジアンを構築し、それぞれ右巻きクォークおよび左巻きクォークへのカップリングに注目する。
• 特に$A_4\times Z_3$および$A_4\times Z_4$モデルにおいて、フラバー対称性の破れ（フラヴォン）が実現可能なヤコビ行列テクスチャーを生成する影響を分析する。
• ニュートリノ混合パターンと整合性を持つように、フラヴォンの真空期待値（VEV）（$\phi_l$, $\phi_\nu$, $\xi'$）と群論的射影を組み合わせることで、レプトクォークの質量行列およびカップリング構造を導出する。
• $R_K\neq1$を説明するのと同じフラバー構造を用いて、$B\to K\ell\ell'$、$B_s\to\ell\ell'$、$\ell\to\ell'\gamma$、$h\to\ell\ell'$の分岐比を計算する。
• 理論的予測を、$h\to\tau\mu$の$2.5\sigma$のCMS信号といった実験的ヒントと比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B\to K\mu\mu$崩壊における$R_K$の異常は、同時にレプトンフラバー違反を媒介する単一のスカラー・レプトクォークセクターによって説明可能か？
• RQ2 レプトンフラバー対称性（$A_4$および$SU(3)_F$）は、レプトクォークカップリングの構造をどのように制限し、$R_K$を他の希少崩壊過程と結びつけるか？
• RQ3 共通のフラバー対称性の破れを伴うモデルにおいて、$R_K$、$h\to\ell\ell'$、$B\to K\ell\ell'$、$\ell\to\ell'\gamma$の間にはどのような相関が存在するか？
• RQ4 ニュートリノ混合を生成する同じフラヴォン場が、$R_K\neq1$およびレプトクォークカップリングにおけるLFVを生成する程度はどの程度か？
• RQ5 $A_4\times Z_3$および$A_4\times Z_4$モデルは、$B$メソンおよびLFV崩壊の制約を満たしつつ、$R_K$の偏差と$h\to\tau\mu$信号を同時に説明可能か？

主な発見

• $1\leq q^2<6$ GeV$^2$のエネルギー領域において、$R_K$の偏差$0.745\pm0.090_{-0.074}\pm0.036$は、$M\gtrsim1$ TeVの下で$|\lambda_{se}\lambda_{be}^* - \lambda_{s\mu}\lambda_{b\mu}^*| \gtrsim 2\times10^{-3}$を示唆する。
• $A_4\times Z_3$モデルでは、$R_K\neq1$の偏差は、レプトクォークカップリング行列における$(2,-1,-1)$および$(0,1,-1)$方向からの摂動によって生じ、これらは反応角$\theta_{13}\neq0$と直接関連している。
• 同じフラヴォンVEVが三つの最大対称性に近いニュートリノ混合行列を生成するのと同時に、$R_K$におけるレプトンユニバーサル性の破れを引き起こし、ニュートリノ混合と$R_K$の異常との直接的な関連を確立する。
• モデルは$B\to K\ell\ell'$および$B_s\to\ell\ell'$の分岐比を$R_K$と相関づける予測を行い、カップリング構造に応じて$B\to K\mu\mu$の分岐比は$10^{-7}$から$10^{-8}$の範囲にある。
• $h\to\tau\mu$崩壊の分岐比は、妥当なパラメータ領域において$10^{-3}$から$10^{-4}$の範囲に予測され、$2.5\sigma$のCMSのヒントと整合的である。
• $\ell\to\ell'\gamma$崩壊の断面積は抑制されているがゼロでなく、大きなフラバー混合を有するモデルでは$\mu\to e\gamma$の分岐比が$10^{-12}$に達する可能性があり、補足的な探査手段を提供する。