[論文レビュー] Global Fit of Modified Quark Couplings to EW Gauge Bosons and Vector-Like Quarks in Light of the Cabibbo Angle Anomaly

Andreas Crivellin, M. Kirk+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、Cabibbo 角異常（$V_{us}$ の決定における 3σ の不一致および第一巻の CKM ユニタリティの欠落）に対処するために、クォークおよびベクトル型クォーク（VLQ）への修正された W ボソンカップリングのグローバルフィットを実施する。SU(2)$_L$ ダブルレット ベクトル型クォークが、右側の $W$ カップリングを $u$-$d$ および $u$-$s$ クォークに生成することで、異常を同時に説明可能であり、電弱精度観測量およびフレーバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）の制約を満たしていることを示している。

ABSTRACT

There are two tensions related to the Cabibbo angle of the CKM matrix. First, the determinations of $V_{us}$ from $K_{μ2}$, $K_{\ell3}$, and $τ$ decays disagree at the $3σ$ level. Second, using the average of these results in combination with $β$ decays (including super-allowed $β$ decays and neutron decay), a deficit in first-row CKM unitarity with a significance of again about $3σ$ is found. These discrepancies, known as the Cabibbo Angle anomaly, can in principle be solved by modifications of $W$ boson couplings to quarks. However, due to $SU(2)_L$ invariance, $Z$ couplings to quarks are also modified and flavour changing neutral currents can occur. In order to consistently assess the agreement of a new physics hypothesis with data, we perform a combined analysis for all dimension-six Standard Model Effective Field Theory operators that generate modified $W$ couplings to first and second generation quarks. We then study models with vector-like quarks, which are prime candidates for a corresponding UV completion as they can affect $W$-quark couplings at tree level, and we perform a global fit including flavour observables (in particular loop effects in $ΔF=2$ processes). We find that the best fit can be obtained for the $SU(2)_L$ doublet vector-like quark $Q$ as it can generate right-handed $W$-$u$-$d$ and $W$-$u$-$s$ couplings as preferred by data.

研究の動機と目的

• K_{\mu 2}、K_{\ell 3}、および \tau 衰えからの $V_{us}$ 決定における 3σ の不一致および第一巻の CKM ユニタリティの欠落として現れる Cabibbo 角異常に対処する。
• 修正された $W$-ボソンがクォークに与えるカップリングが、$SU(2)_L$ ゲージ不変性を保ったまま、両方の不一致を同時に解消できるかどうかを評価する。
• 電弱精度観測量（EWPOs）、$Z$ ボソンカップリング、およびフレーバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）を含むグローバルフィットにより、新しい物理のシナリオを制約する。
• ベクトル型クォーク（VLQ）を、修正された $W$-クォークカップリングの UV 完全実装として調査し、$\Delta F=2$ プロセスにおけるループ効果を含む。
• 既存の実験的制約と整合的でありながら、異常を最もよく説明する VLQ の表現（スレッドまたはダブルレット）を特定する。

提案手法

• 第一および第二世代クォークへの $W$-クォークカップリングを修正する次元 6 のすべてのオペレーターを含む、標準模型効果的場理論（SMEFT）フレームワーク内でグローバルフィットを実施する。
• VLQ モデルを SMEFT オペレーターにマッチさせ、主にツリー階層で修正された $W$-クォークカップリングを生成することに焦点を当てる。
• VLQ からのループ誘導型 $\Delta F=2$ プロセス（例：$K^0$-$\bar{K}^0$ 混合）の寄与を含め、フレーバー変換効果を制約する。
• K 衰え、$W$ ボソンの分岐比、電弱精度観測量（EWPOs）、および $B$ 物理からの実験的データを用いて、パラメータ空間を制約する。
• `smelli` ソフトウェアを用いたベイズ解析により、事後分布を計算し、さまざまな EFT および VLQ シナリオのフィットの質を評価する。
• スレッド型とダブルレット型の VLQ 表現のフィット品質を比較し、$Z$ カップリングにおける $C^{(1)}_{Hq}$ と $C^{(3)}_{Hq}$ 間のキャンセレーションを含む、オペレーター構造の影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正された $W$-ボソンがクォークに与えるカップリングは、$V_{us}$ の不一致と CKM ユニタリティ欠落の両方を同時に解消できるか？
• RQ2 $SU(2)_L$ 不変性によって誘導される $Z$-ボソンがクォークに与えるカップリングは、修正された $W$-カップリングのシナリオの妥当性をどのように制約するか？
• RQ3 フレーバーおよび電弱精度制約を満たしつつ、Cabibbo 角異常を最もよく説明する VLQ の表現（スレッドまたはダブルレット）はどれか？
• RQ4 ループ効果が $\Delta F=2$ プロセス（例：$K^0$-$\bar{K}^0$ 混合）に与える影響は、修正された $W$-クォークカップリングを持つ VLQ モデルをどれほど排除または制約するか？
• RQ5 SMEFT オペレーターおよび VLQ UV 完全化を含むグローバルフィットにより、Cabibbo 角異常のための好ましい新しい物理のシナリオを特定できるか？

主な発見

• Cabibbo 角異常（$V_{us}$ 決定における 3σ の不一致および第一巻の CKM ユニタリティ欠落として現れる）は、修正された $W$-クォークカップリングによって一貫して解消可能である。
• SU(2)$_L$ ダブルレット ベクトル型クォーク（$Q$）が、$u$-$d$ および $u$-$s$ クォークへの必要な右側の $W$-クォークカップリングを自然に生成するため、データへのフィットが最も良い。
• グローバルフィットの結果、ダブルレット VLQ モデルはスレッドモデルよりも顕著に優れたフィット品質を示しており、主にツリー階層で必要な $W$-カップリング構造を生成できる点に起因する。
• $K^0$-$\bar{K}^0$ 混合および他の $\Delta F=2$ プロセスからの制約は、ダブルレット VLQ モデルで満たされており、フレーバー物理学と整合していることが示された。
• $Z$-クォークカップリングにおける $C^{(1)}_{Hq}$ と $C^{(3)}_{Hq}$ オペレーター間のキャンセレーションは、FCNC を抑制し、精度データと整合性を保つために不可欠である。
• 最良のフィットシナリオでは、$C^{(3)}_{Hq}$ および $C_{Hud}$ オペレーターが非ゼロであり、ダブルレット VLQ 表現が有効理論の最も妥当な UV 完全化を提供している。