[論文レビュー] Gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ Scotogenic Model in light of $R_{K^{(*)}}$ Anomaly and AMS-02 Positron Excess

Zhi-Long Han, Ran Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、$B$-メソン崩壊における$R_{K^{(*)}}$異常とAMS-02の陽電子過剰を同時に説明するため、重い$Z^\prime$ボソンを伴う$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$規範スコトジェニックモデルを提案する。モデルは右側ニュートリノとインertスカラーダブルレットを介して1ループでニュートリノ質量を生成するが、$Z^\prime$ボソンは$b \to s\mu^+\mu^-$遷移を媒介し、$R_{K^{(*)}}$を説明する。また、$NN \to Z^\prime Z^\prime$および$NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$の散乱チャネルを介して陽電子過剰を説明する。すべての結果は現在の実験的制約と整合している。

ABSTRACT

We study the gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ scotogenic model with emphasis on latest measurement of LHCb $R_{K^{(*)}}$ anomaly and AMS-02 positron excess. In this model, neutrino masses are induced at one-loop level with $Z_2$-odd particles, i.e., right-handed neutrinos $N_\ell(\ell=e,μ,τ)$ and inert scalar doublet $η$ inside the loop. Meanwhile, the gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry is broken spontaneously by the scalar singlet $S$, resulting to the massive gauge boson $Z'$. Provided certain couplings to quarks induced by heavy vector-like quarks, the gauge boson $Z'$ would contribute to the transition $b o s μ^+μ^-$, hence explain the $R_{K^{(*)}}$ anomaly. As for the Majorana fermion DM $N$, the gauge boson $Z'$ and the singlet Higgs $H_0$ will generate various annihilation channels, among which the $NN o Z'Z'$ and $NN o Z'H_0( o Z'Z')$ channel could be used to interpret the AMS-02 positron excess. We give a comprehensive analysis on model parameter space with consider various current constraints. The combined analysis shows that the $R_{K^{(*)}}$ anomaly and AMS-02 positron excess can be explained simultaneously.

研究の動機と目的

• $B$-メソン崩壊における$R_{K^{(*)}}$異常とAMS-02の陽電子過剰を、同一のBSMフレームワークで統合的に説明すること。
• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性を導入したスコトジェニックモデルを拡張し、$Z^\prime$ボソンとスカラーモノポール$S$を導入して対称性の自発的破れを実現すること。
• 陽電子過剰を説明できる、$Z^\prime$とスカラーモノポール$H_0$を含む、実現可能なダークマター散乱チャネルを探索すること。このとき、リリック密度や直接検出制約に違反しないこと。
• ニュートリノトライデント生成、$B_s$混合、レプトンフラバー不変性、CMB測定からの制約を含む包括的なパラメータースキャンを実施すること。

提案手法

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性を導入し、スカラーモノポール$S$が真空期待値（VEV）をとることで、質量を持つ$Z^\prime$ゲージボソンが生成されることを導入する。
• 右側ニュートリノ$N_\ell$とインエントスカラーダブルレット$\eta$を介して、$Z_2$対称性を保ちつつ1ループでニュートリノ質量を生成する。
• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$に従うベクトル型クォークを導入し、$Z^\prime bs$結合を有効に生成することで、$b \to s\mu^+\mu^-$遷移を可能にし、$R_{K^{(*)))}$を説明する。
• ダークマター散乱過程$NN \to Z^\prime Z^\prime$、$NN \to Z^\prime H_0$、および$H_0 \to Z^\prime Z^\prime$を分析し、$H_0$は$Z_2$奇数のスカラーモノポールから生じる。
• 主成分分析を用いて$f_{\rm eff}(z)$を計算し、CMBからの散乱断面積制約を導出し、AMS-02の陽電子データと比較する。
• リリック密度、直接検出（LUX、XENON1T、PandaX-II）、$B_s$混合、ニュートリノトライデント生成、およびEGRB測定からの制約を適用した、モデルパラメータのランダムスキャンを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重い$Z^\prime$ボソンを伴う$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$規範スコトジェニックモデルは、$B$物理学の制約に反しない範囲で$R_{K^{(*)}}$異常を説明できるか？
• RQ2 $NN \to Z^\prime Z^\prime$および$NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$の散乱チャネルは、AMS-02の陽電子過剰を説明するのに十分な陽電子フラックスを生成できるか？
• RQ3 ニュートリノトライデント生成、$B_s$混合、レプトンフラバー不変性、直接検出、CMB測定からの制約を統合的に満たすモデルは実現可能か？
• RQ4 必要な$Z^\prime$結合定数と質量範囲が、$R_{K^{(*)}}$と陽電子過剰を同時に一貫性のあるパラメータ空間内で説明できるか？

主な発見

• 質量$M_{Z^\prime} \gtrsim 10~{\rm GeV}$、結合定数$g^\prime \sim 10^{-3}$の$Z^\prime$ボソンは、$b \to s\mu^+\mu^-$遷移により$R_{K^{(*)}}$異常を説明可能であり、$Y_Q = 0.122$および$M_Q = 10~{\rm TeV}$で$C_9^\mu \approx -0.95$が達成される。
• ニュートリノトライデント生成と$B_s$混合からの制約により、$Z^\prime$の質量と結合定数は$550~{\rm GeV} \lesssim M_{Z^\prime}/g^\prime \lesssim 4~{\rm TeV}$に制限され、非常に軽い$Z^\prime$のシナリオは除外される。
• $M_N \gtrsim M_{Z^\prime}$の場合、主要な散乱チャネルは$NN \to Z^{\prime*} \to \mu^+\mu^-, \tau^+\tau^-$となるが、$M_N > M_{Z^\prime}, M_{H_0}$の場合は$NN \to Z^\prime Z^\prime$および$NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$が支配的になる。
• $NN \to Z^\prime Z^\prime$および$NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$のチャネルは、$\langle \sigma v \rangle_{\rm BF} \sim 10^{-26}~{\rm cm}^3/{\rm s}$の散乱断面積でAMS-02の陽電子過剰を再現可能であり、観測された陽電子分率と整合的である。
• CMBからの制約（$z \sim 600$における$f_{\rm eff}(z)$）により、散乱断面積は$\langle \sigma v \rangle_{\rm CMB} < 3.4 \times 10^{-28}~{\rm cm}^3/{\rm s}/{\rm GeV}$（95%信頼区間）に制限され、局所密度の不確実性を考慮してもベンチマークはわずかに整合的である。
• このモデルは、$R_{K^{(*)}}$異常、AMS-02の陽電子過剰、ニュートリノ質量、ダークマターのリリック密度を同時に説明可能であり、直接検出、$B_s$混合、$B$物理学の制約とも整合している。