[論文レビュー] Dressing L_mu - L_tau in Color

Wolfgang Altmannshofer, Stefania Gori+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 48被引用数 176

ひとこと要約

この論文は、$L_\mu - L_\tau$ 対称性を媒介する低質量 $Z^\prime$ ボソンを提案し、ミューオンとクォークへのベクトル型カップリングと、クォークへの抑制されたカップリングを通じて、LHCb の $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 角分布の異常を説明する。モデルは重いベクトル型フェルミオンによるUV完備化を経て、$B$ 物理の異常を説明できるが、$m_{Z^\prime} \gtrsim$ 数GeV ではニュートリノトリデント生成によって除外され、ミューオン $g-2$ 異常を説明する可能性は強く制限される。

ABSTRACT

We consider a new massive vector-boson Z' that couples to leptons through the L_mu - L_tau current, and to quarks through an arbitrary set of couplings. We show that such a model can be obtained from a renormalizable field theory involving new heavy fermions in an anomaly-free representation. The model is a candidate explanation for the discrepancy observed recently by the LHCb collaboration in angular distributions of the final state particles in the rare decay B o K* mu^+ mu^-. Interestingly, the new vector-boson contribution to the decay tau o mu nu_tau \bar nu_mu can also remove a small tension in the measurement of the corresponding branching ratio. Constraints from light flavor meson-mixing restrict the coupling to the up- and down-quarks to be very small and thus direct production of the vector-boson at hadron colliders is strongly suppressed. The most promising ways to test the model is through the measurement of the Z decay to four leptons and through its effect on neutrino trident production of muon pairs. This latter process is a powerful but little-known constraint, which surprisingly rules out explanations of (g-2)_mu based on Z' gauge bosons coupled to muon number, with mass of at least a few GeV.

研究の動機と目的

• LHCb が観測した $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ の角分布異常が、$L_\mu - L_\tau$ 対称性に関連する $Z^\prime$ ボソンによって説明可能かどうかを調査すること。
• $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 数GeV の条件下で、そのような $Z^\prime$ モデルがミューオンの異常磁気モーメント $(g-2)_\mu$ を説明できるかの妥当性を検証すること。
• 特にニュートリノトリデント生成と $Z \to 4\mu$ 衰変を含む低エネルギー過程からの制約が、モデルのパラメータ空間に与える影響を評価すること。
• アノマリー自由な表現における重いベクトル型フェルミオンを用いた $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ モデルのUV完備化を提供すること。
• 特に高強度フロンティア実験においてテスト可能な、最も有望な実験的プローブを同定すること。

提案手法

• アノマリーの有限性を保証する表現に従って変換する重いベクトル型フェルミオンを用いて、$L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ モデルのローレンツ不変なUV完備化を構築すること。
• クォークとレプトンへの $Z^\prime$ の有効カップリングを、ループ誘導混合を通じて導出し、アップ型およびダウン型クォークへのカップリングは、軽いフレーバーのメソン混合によって制約されることを示すこと。
• LHCb の $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ データにフィットするための有効ハミルトニアン $\mathcal{H}_{\text{eff}} = C_9 (\bar{s}\gamma_\alpha P_L b)(\bar{\mu}\gamma^\alpha \mu) + C_9' (\bar{s}\gamma_\alpha P_R b)(\bar{\mu}\gamma^\alpha \mu)$ を使用すること。
• $Z \to 4\mu$ 衰変とニュートリノトリデント生成からの制約を計算し、ミューオンへの $Z^\prime$ カップリングと、混合によるニュートリノへの誘導カップリングを用いること。
• $B_s$ 混合への $Z^\prime$ の影響を解析し、$v_\Phi \gtrsim 100$ GeV の場合に $\Delta M_s$ に最小3%のシフトが予測されることを示すこと。
• $Z^\prime$ のミューオンへのカップリングと $Z$ ボソンとの混合を用いて、$g-2_\mu$ およびニュートリノトリデントデータから $Z^\prime$ の質量とカップリングに関する制約を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱スケール未満の低質量で、$L_\mu - L_\tau$ 対称性に関連する $Z^\prime$ ボソンが、$B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ の角分布異常を説明可能か？
• RQ2 $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 数GeV の条件下で、$Z^\prime$ モデルがミューオンの異常磁気モーメント $(g-2)_\mu$ を説明できるか？
• RQ3 $Z \to 4\mu$ 衰変とニュートリノトリデント生成からの制約が、$L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ モデルの有効パラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 $Z^\prime$ が $B_s$ 混合に与える最小効果は何か？ また、将来的な LHCb アップグレードで探知可能か？
• RQ5 $Z^\prime$ モデルが重いベクトル型フェルミオンによるUV完備化を経て、アノマリー自由かつ低エネルギー物理データに整合する形で一貫して実現可能か？

主な発見

• $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ モデルは、電弱スケール未満の質量で、LHCb の $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 角分布異常を説明可能であり、$\text{Re}(C_9) \simeq -(35~\text{TeV})^{-2}$ および $\text{Re}(C_9') \simeq +(35~\text{TeV})^{-2}$ を予測する。
• モデルは $B_s$ 混合の質量差 $\Delta M_s$ に最小3%のシフトを予測し、$Z^\prime$ の真空期待値の二乗に比例して増大する。これは将来的な LHCb アップグレードで探知可能である可能性がある。
• ニュートリノトリデント生成は、以前は軽視されていた強力な制約を提供し、$m_{Z^\prime} \gtrsim$ 数GeV の場合、$Z^\prime$ モデルがミューオン $g-2$ 異常を説明する可能性を強く制限する。
• $Z \to 4\mu$ 衰変は、特に $Z$ ボソンとの混合と組み合わせた場合、$Z^\prime$ のミューオンへのカップリングに対して強い制約を与える。
• アップ型およびダウン型クォークへの $Z^\prime$ カップリングは、軽いフレーバーのメソン混合によって強く制約され、ハドロン加速器での直接生成が抑制される。
• 重いベクトル型フェルミオンによるUV完備化は、アノマリー自由性を保証し、クォークカップリングが抑制された $L_\mu - L_\tau$ ポータルの一貫した場の理論的実現を可能にする。