[論文レビュー] Implications of a vector-like lepton doublet and scalar Leptoquark on $R(D^{(*)})$

Lobsang Dhargyal, Santosh Kumar|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、R(D*)およびR(D)の異常を説明するために、標準模型にZ₂奇性をもつベクトル型リーマン二重項、スカラー・レプトクォーク（SU(3)c 三重項、Y=+2/3）、およびスカラー単粒子を追加するモデルを提案する。このモデルは、R(D*)およびR(D)における新しい物理的寄与を大きくし、理論と実験のずれをそれぞれ3.4σから0.8σ、2.3σから0.6σにまで縮小する。また、Z極、中性中間子混合、S/T/Uパラメータからの厳密な制約を満たしている。

ABSTRACT

We study the phenomenological constraints and consequences in the flavor sector, of introducing a new fourth generation $\mathcal{Z}_{2}$ odd vector-like lepton doublet along with a Standard Model (SM) singlet scalar and an $SU(2)_{L}$ singlet scalar leptoquark carrying electromagnetic charge of $+2/3$, both odd under a $\mathcal{Z}_{2}$. We show that with little fine tuning among the various Yukawa couplings in the new physics (NP) Lagrangian along with the CKM parameters, the model is able to push the theoretical value of $R(D^{*})^{th}$ from $0.252 \pm 0.003$ to $0.263 \pm 0.051$ and $R(D)^{th}$ from $0.300 \pm 0.008$ to $0.313 \pm 0.158$ compared to the SM value. Especially the NP contributions are able to reduce the discrepancy between experiment and theory of $R(D^{*})$ substantially compared to SM. This is quite impressive given that the model satisfy all other very stringent constrains coming from neutral meson oscillations and precision $Z$-pole data.

研究の動機と目的

• 標準模型の予測とR(D*)およびR(D)の実験的測定値との間の持続的で2–4σのずれを解消すること。
• フレーバーおよび精密電弱制約を満たしつつ、これらの異常を説明できる標準模型の妥当な拡張を構築すること。
• Z₂対称性に関して奇性をもつベクトル型リーマン二重項およびスカラー・レプトクォークが、R(D*)およびR(D)に十分な寄与をもたらすかを検討すること。
• 中性中間子混合、Z極観測量、およびPeskin-TreimanのS、T、Uパラメータと整合していることを保証すること。
• 新しい物理的寄与が異常を解消するのに十分大きく、かつすべての現在の実験的制約と両立できるパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• Z₂対称性に関して奇性をもつSU(2)L二重項としてのベクトル型リーマン二重項（F⁰, F⁻）を導入する。
• Hypercharge +2/3でZ₂奇性をもつSU(3)c 三重項スカラー・レプトクォーク（ϕLQ）と、Z₂奇性をもつ複素スカラー単粒子（S）を追加する。
• 新しい粒子を含むヤコビ相互作用ラグランジアンを構成する：LNP = Σ_i h_i Q̄_iL L_4R ϕLQ + Σ_j h_j L̄_jL L_4R S + m_F L̄_4L L_4R + h.c.
• 標準模型ゲージ対称性およびZ₂対称性に関して不変なスカラー・ポテンシャルを導入し、ヒッグス、ϕLQ、Sを含む項を含む。三重項および四重項結合を含む。
• SMおよび新しい物理的振幅を含む、b → cτν̄_τ の崩壊を通じてR(D*)およびR(D)への寄与を計算する。干渉効果を含む。
• K⁰–K̄⁰およびB⁰_i–B̄⁰_i（i=d,s）の混合、Z極崩壊の分支比（Br(Z→f̄f)）、およびPeskin-TreimanのS、T、Uパラメータからの厳密な制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z₂奇性をもつベクトル型リーマン二重項およびスカラー・レプトクォークが、既存のフレーバー制約に反することなく、R(D*)およびR(D)の異常を同時に説明できるか。
• RQ2 新しい物理的寄与の大きさはR(D*)およびR(D)に対してどの程度で、実験データとのずれをどの程度軽減するか。
• RQ3 新しい粒子はZ極の分支比やS/T/Uパラメータといった精密電弱観測量にどのように影響を与えるか。
• RQ4 すべての実験的制約を満たしつつ、顕著なNP寄与を達成するためのヤコビカップリングおよび質量の調整はどの程度必要か。
• RQ5 異常を解消するのに必要な質量スケールを考慮した場合、高輝度LHCランで新しい物理的状態が探索可能か。

主な発見

• このモデルにより、SMにおけるR(D*)^thの理論的予測は、0.252 ± 0.003から0.263 ± 0.051に上昇し、実験とのずれが顕著に減少する。
• SMにおけるR(D)^thの理論的予測は、0.300 ± 0.008から0.313 ± 0.158に上昇し、実験との乖離が減少する。
• 新しい物理的寄与のおかげで、R(D*)の理論と実験のずれは3.4σから0.8σにまで縮小される。
• R(D)のずれは2.3σから0.6σにまで縮小され、SM予測に対する顕著な改善が示される。
• 中性中間子混合（K⁰–K̄⁰およびB⁰_i–B̄⁰_i）からのすべての制約を満たしており、ΔM_KおよびΔM_Bsは実験的限界と整合している。
• Z極の分支比（例：Br(Z→bb̄)_NP ≈ 4.7×10⁻⁵）およびS/T/Uパラメータ（S ≈ 0.0203、T ≈ 0、U ≈ 0）は、すべて実験的限界内にあり、モデルの妥当性を確認する。