[論文レビュー] Combined explanation of $W$-mass, muon $g-2$, $R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$ anomalies in a singlet-triplet scalar leptoquark model

Arvind Bhaskar, Anirudhan A. Madathil+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、$W$ボソン質量、ミュオン $g-2$、$R_{K^{(*)}}$、$R_{D^{(*)}}$ の異常を同時に説明するため、スカラーレプトクォークの最小モデル（シングレット・トリプレット対 $S_1 + S_3$）を提案する。このモデルはヒッグスポータルを介してレプトクォークを混合させ、わずかな新しい結合定数のみを必要とし、LHCでテスト可能なTeVスケールの質量を予測する。現在のLHCデータから、下限は約1.5 TeV、摂動的理論を仮定した場合の上限は約8 TeVである。

ABSTRACT

In addition to the long-standing anomalies seen in the muon $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, and $R_{D^{(*)}}$ observables by various independent experiments, the CDF Collaboration has found another significant one in the $W$-boson mass. These anomalies might be intertwined at a fundamental level and have a single new-physics explanation. In this paper, we present a simultaneous solution to these anomalies with two scalar leptoquarks of roughly equal mass -- one weak-singlet $S_1$ and the other a weak-triplet $S_3$ -- which mix through a Higgs portal. The solution has only a few new couplings and TeV-scale leptoquarks, making the solution testable at the LHC. We put a lower and upper bound on the leptoquark masses in this setup from the current LHC data and the assumption that all new couplings are within the perturbative limit.

研究の動機と目的

• ミュオン $g-2$、$R_{K^{(*))}}$、$R_{D^{(*)}}$ の長期にわたる異常と、最近のCDFによる $W$ボソン質量測定を解決すること。
• 4つの異常を1つの最小限の新物理フレームワーク内で統一的に説明すること。
• 直接的および間接的な実験的制約を用いて、レプトクォークの質量と結合定数を制約することで、LHCでのテスト可能性を保証すること。
• 新しい結合定数および自由度の数を最小限に抑えることで、摂動的理論を維持し、微調整を避けること。

提案手法

• 弱いシングレットスカラーレプトクォーク $S_1$ と弱いトリプレット $S_3$（両者ともハイパークーランスが $1/3$）を導入し、異常を媒介する。
• ヒッグスポータル相互作用を導入して $S_1$ と $S_3$ を混合させ、複数の観測量に共通の寄与を可能にする。
• 有効場理論とフェ Feynman 図を用いて、$S_1$ と $S_3$ のヤコビ結合定数を、観測された異常と関連付けるためのフレーバー解析的アンザッツを採用する。
• 低エネルギー物理データおよびLHCの直接的・間接的制約を用いて、ヤコビ結合定数とレプトクォーク質量のパラメータースキャンを実施する。
• $B$中間子の崩壊と $W$ボソン質量からの間接的制約を適用し、$S_3^{4/3} \to b\bar{\nu}\nu$、$\tau\tau$、$\tau\bar{\nu}$ の最終状態からの直接的制約を用いる。
• 高 $p_T$ の二重レプトンおよびモノジェットデータを用いて、$S_3^{4/3}$ の分岐比を制約し、質量の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $S_1 + S_3$ 構造を持つ単一のスカラーレプトクォークモデルが、$W$ボソン質量、ミュオン $g-2$、$R_{K^{(*)}}$、$R_{D^{(*)}}$ 異常を同時に説明できるか？
• RQ2 すべての現在の実験的制約を満たすために、レプトクォークの有効な質量および結合定数の範囲は何か？
• RQ3 LHCの直接的および間接的探索は、$S_1 + S_3$ モデルのパラメータ空間をどのように制約するか？
• RQ4 すべての結合定数が摂動的であり、追加の新しい相互作用が導入されない場合、レプトクォーク質量の上限は何か？
• RQ5 このモデルはLHCでテスト可能か？また、$c\tau$、$t\bar{\nu}$、$t\bar{\tau}$ などの異常なシグネチャを通じた発見の可能性は何か？

主な発見

• モデルは、$W$ボソン質量、ミュオン $g-2$、$R_{K^{(*)}}$、$R_{D^{(*)}}$ の4つの異常を、新しい結合定数を最小限に抑えた一貫したセットで成功裏に説明する。
• 現在のLHCデータにより、$S_3^{4/3} \to b\bar{\nu}\nu$ および $\tau\tau$ 最終状態からの制約によって、レプトクォーク質量スケールの下限が約1.5 TeVに制限される。
• 摂動的結合定数を仮定した場合、レプトクォーク質量の上限は約8 TeVに導かれる。
• $|y^{L}_{32}|$ と $|y^{L}_{22}|$ が同時に大きくならないようにという制約により、パラメータ空間は著しく制限される。これは、$\bar{B} \to K^{(*)}\tau^+\tau^-$ のグローバルフィットとLHCの直接的制約によるものである。
• 異常なLHCシグネチャ、たとえば $c\tau$、$t\bar{\nu}$、$t\bar{\tau}$ の生成が予測され、将来的な探索の有望なチャンネルを提供する。
• Lattice QCDの入力を用いてミュオン $g-2$ 異常が1.6σに縮小された場合でも、モデルは依然として妥当であり、除外領域は既にLHCの制約によって除外済みである。