[論文レビュー] Connecting neutral current $B$ anomalies with the heaviness of the third family

Joe Davighi|arXiv (Cornell University)|May 15, 2019

Fetal and Pediatric Neurological Disorders参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、弱エイジェンベースで第三族のフェルミオンにのみカップリングする$Z^{\prime}$ゲージボソンモデルを提案しており、異常キャンセレーションによってハイパーチャージに比例するように電荷が固定される。このモデルは$b\to s\mu\mu$の異常を説明し、$t\to Z^\prime u$の崩壊や$B\to K^*\tau^+\tau^-$の欠損といった特徴的なシグネチャを予測し、$B_s$混合、$Z$ボソンのレプトン普遍性、LHCにおける$Z^\prime\to\mu\mu$探索によって制約を受ける。

ABSTRACT

It is possible, and for several reasons attractive, to explain a collection of recent anomalies involving $b ightarrow sμμ$ processes with a $Z^{\prime}$ gauge boson coupled only to the third family in the weak eigenbasis. From this premise, requiring cancellation of all gauge anomalies (including mixed and gravitational anomalies) fixes a unique charge assignment for the third family Standard Model fermions, which is simply proportional to hypercharge. After a brief discussion of some general features of anomaly cancellation in $Z^\prime$ theories, we discuss the phenomenology of such a `Third Family Hypercharge Model', which is subject to a trio of important constraints: (i) $B_s-\bar{B}_s$ mixing, (ii) lepton universality of the $Z$ boson couplings, and (iii) constraints from direct searches for the $Z^\prime$ boson at the LHC. Finally, in gauging third family hypercharge, this model forbids all Yukawa couplings (at the renormalisable level) save those of the third family, leading to a possible explanation of the heaviness of the third family.

研究の動機と目的

• $B$崩壊における持続的な$b\to s\mu\mu$異常を、第三族にのみカップリングする$Z^\prime$ゲージボソンによって説明すること。
• すべての異常（ゲージ、混合、重力的）が消えるように$Z^\prime$モデルにおける異常キャンセレーションを保証すること。
• 第三族フェルミオンのハイパーチャージをゲージ化することで、フェルミオン質量の観察された階層、特に重いトップクォークを自然に説明できるかを検討すること。
• $B_s$混合、$Z$ボソンのレプトン普遍性、LHCにおける直接的$Z^\prime$探索からの事象的制約を導出し、検証すること。
• 将来の実験的検証のための新規シグネチャ、例えばレアなトップ崩壊や$B\to K^*\tau^+\tau^-$の欠損を予測すること。

提案手法

• 弱エイジェンベースで第三族にのみカップリングする$Z^\prime$ボソンを持つ$U(1)^\prime$拡張の標準模型を構築する。
• すべての異常（ゲージ、混合、重力的）が消えるように、第三族フェルミオンの$U(1)^\prime$電荷をハイパーチャージに比例するように一意に固定する。
• $Z^\prime$を統合した後の有効ラグランジアンを導出し、$g_{sb} \propto \sin(2\theta_{sb})$および$g_{\mu\mu} \propto -1/2$のカップリングを得る。
• 2019年モリオンド以降の$B$物理学データを用いたグローバルフィットにより、$Z^\prime$カップリング強度$g_F$と質量$M_{Z^\prime}$を制約する。
• $B_s$-$\bar{B}_s$混合（$|g_{sb}| \leq M_{Z^\prime}/(194\,\text{TeV})$）、$Z$ボソンのレプトン普遍性（$g_F < M_{Z^\prime}/(2.2\,\text{TeV})$）、LHCにおける$Z^\prime\to\mu\mu$探索からの制約を適用する。
• $Z^\prime$崩壊の branching 比（主に$t\bar{t}$と$\tau^+\tau^-$）および$Z$-$Z^\prime$混合とフラーバー変換カップリングを介したレアなトップ崩壊を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第三族にのみカップリングする$Z^\prime$ボソンが、すべての異常キャンセレーション条件を満たしながら観測された$b\to s\mu\mu$異常を説明できるか。
• RQ2 $U(1)^\prime$拡張における標準模型で、第三族フェルミオンの電荷割り当てをどのようにすれば異常フリーにできるか。
• RQ3 $B_s$混合、$Z$ボソンのレプトン普遍性、LHCにおける直接的$Z^\prime$探索からの制約が、モデルの妥当なパラメータ空間をどのように制限するか。
• RQ4 第三族フェルミオンのハイパーチャージをゲージ化することで、フェルミオン質量の階層、特にトップクォークの大きな質量を動的説明できるか。
• RQ5 このモデルのLHCにおける主要な実験的シグネチャは何か。また、HL-LHCはそれらをどの程度まで探査できるか。

主な発見

• 第三族の$U(1)^\prime$における異常フリーな電荷割り当ては、ハイパーチャージに比例するように一意に固定され、すべてのゲージ的、混合的、重力的異常のキャンセレーションが保証される。
• モデルは$b\to s\mu\mu$異常を説明するため、$g_F = (M_{Z^\prime}/36\,\text{TeV}) \sqrt{24x / \sin(2\theta_{sb})}$の$Z^\prime$カップリング強度を予測し、$x = 1.06 \pm 0.16$（95%信頼区間）となる。
• $B_s$-$\bar{B}_s$混合の制約により$|g_{sb}| \leq M_{Z^\prime}/(194\,\text{TeV})$が得られ、$Z^\prime$の$B$クォークへのカップリングに対する強い制限が得られる。
• ヒッグスの$U(1)^\prime$電荷に起因する$Z$-$Z^\prime$混合により、LEPの$R$比測定から$Z$ボソンカップリングの制約$g_F < M_{Z^\prime}/(2.2\,\text{TeV})$が得られる。
• ATLASが13 TeVで139 fb$^{-1}$のデータを用いた直接的$Z^\prime\to\mu\mu$探索がモデルを制約しており、特にジムイオンチャンネルが現在最も強い制限を与えている。
• モデルは$Z^\prime$崩壊の主なモードを$t\bar{t}$（42%）と$\tau^+\tau^-$（30%）と予測し、$Z^\prime\to\mu\mu$のブランチング比は8%である。また、混合とフラーバー変換カップリングを介した$Z^\prime$を介したレアなトップ崩壊$t\to Z^\prime u$および$t\to Z^\prime c$も予測される。