[論文レビュー] Flavor Anomalies Accommodated in A Flavor Gauged Two Higgs Doublet Model

Junmou Chen, Qiaoyi Wen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、$Z'$ゲージボソンと電荷付きヒッグスを介して、$R_K$ および $R_{D^{(*)]}$ 異常、およびミュオンの異常磁気モーメント ($\Delta a_\mu$) を同時に説明するフレーバーガージド二重ヒッグス・ダブルレット模型 (FG2HDM) を提案する。モデルはFCNCを抑制するための$U(1)$フレーバーゲージ対称性を課しており、これによりダウンクォークのフレーバー変換中性荷電現在のみが許容され、$Z'$は唯一ダウンクォークにカップリングする。このようにして、一貫した枠組みの中で複数のフレーバーアノマリーを同時に説明できる。

ABSTRACT

The $3.1σ$ $R_K$ anomaly after Moriond 2021 and $3.3 σ$ $Δa_μ$ from Fermilab Muon g-2 experiment implicate that the lepton flavor universality violation (LFUV) may play a role in the exploration of new physics. A Flavor Gauged Two-Higgs Doublet Model (FG2HDM) is proposed and investigated in this work. To get rid of the the redundancy in Yukawa coupling of 2HDM-III, a specific U(1) flavor symmetry is introduced. The charge difference between two scalar doublet forbid the appearance of pseudoscalar and hence there are only three particles (a charged and neutral heavy scalar together with a neutral gauge boson) adding to SM particle spectrum. The heavy neutral scalar-mediated flavor-changing interactions occur among down-type quarks. With obvious difference from 2HDM-II, the charged Higgs in FG2HDM can naturally explain $R_{D^{(*)}}$ anomaly. The heavy neutral vector boson $Z'$, changing flavor for down-type quark uniquely as well, provides a solution to $R_{K^{(*)}}$. The anomalous magnetic dipole moment (AMDM) of muon and electron, especially the new released $Δa_μ$, can further discriminate $Z'$ parameter space.

研究の動機と目的

• B中間子の崩壊における恒久的な$R_K$および$R_{D^{(*))}$異常を解消すること。これらはレプトンのフレーバー普遍性の破れを示唆している。
• フェルミラブが観測した$3.3\sigma$のミュオンの異常磁気モーメント ($\Delta a_\mu$) の乖離を説明すること。
• タイプIII 2HDMが抱える問題的なフレーバー変換中性荷電現在 (FCNC) を回避するため、$U(1)$フレーバーゲージ対称性を導入することで、実現可能な2ヒッグス・ダブルレット模型 (2HDM) を構築すること。
• $R_K$、$R_{D^{(*)}}$、および$\Delta a_\mu$の複数の異常を、最小限の粒子内容を持つ、一貫性のある異常自由なモデルで統一的に説明すること。

提案手法

• ダウンクォークと電荷レプトンのみが非ゼロの電荷を持つ$U(1)$フレーバーゲージ対称性を導入する。上クォークとニュートリノはスリムである。
• フェルミオンおよびスカラー場に特定のハイパーチャージを割り当て、異常キャンセリングと2つのヒッグスダブルレット間の電荷非対称性によるピロメトリックスカラーの禁止を確保する。
• ダウンクォークにのみカップリングする$Z'$ゲージボソンを導入し、$b \to s\ell\ell$遷移を媒介することで$R_K$異常を説明する。
• $b \to c\tau\bar{\nu}$遷移にカップリングする電荷付きヒッグスを用い、$R_{D^{(*))}$異常を自然に説明する。
• スカラー相互作用項と頂点を、スカラー整合性限界と混合角を用いて導出し、物理的ヒッグス状態が適切に定義されることを保証する。
• LHCおよび電弱精度測定の制約を満たしつつ、$R_K$、$R_{D^{(*)}}$、および$\Delta a_\mu$のデータを用いて、$Z'$および電荷付きヒッグスのカップリングをグローバルフィットで制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMフレームワークにおける$U(1)$フレーバーゲージ対称性は、FCNCを過剰に引き起こさずに、$R_K$および$R_{D^{(*))}$異常を同時に説明できるか？
• RQ2 ダウンクォークにのみカップリングする$Z'$ボソンの導入は、$R_K$異常およびミュオンの異常磁気モーメントにどのように影響を与えるか？
• RQ3 最新の$\Delta a_\mu$測定値および$R_K$データから、$Z'$および電荷付きヒッグスのカップリングに課される制約は何か？
• RQ4 モデルは、電弱精度テストおよびLHCヒッグスデータと整合性を保ちつつ、観測された異常を適切に説明できるか？
• RQ5 $U(1)$対称性における電荷割り当ては、スカラー相互作用項の構造とその物性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• LHCbが2021年モリオンド以降に観測した$3.1\sigma$の$R_{K}$異常を、$Z'$ボソンが$ b \to s\ell\ell $遷移を媒介することで、モデルはうまく説明できる。
• FG2HDMにおける電荷付きヒッグスは、$R_{D^{(*))}$異常を自然に説明でき、2HDM-IIで見られる緊張を解消する。
• $Z'$ボソンは唯一ダウンクォークにカップリングするため、$K^0$-$\bar{K}^0$混合からの制約を回避し、妥当なパラメータ空間を保証する。
• モデルの$Z'$寄与は、フェルミラブの測定と整合しており、標準模型予測からの$3.3\sigma$の乖離を説明できる。
• 異常キャンセリング条件により、モデルの自由パラメータが2つ（$Q_{d_R}, Q_{\mu_R}$）に減少し、予測可能なフレームワークと検証可能なシグネチャを実現する。
• スカラー系には物理的電荷付きヒッグスが1つ、中性の重いスカラーが1つ、$Z'$が1つ存在するが、ダブルレット間の電荷非対称性により、中性のピロメトリックスカラーは存在しない。