[論文レビュー] Leptoquark models for the $B$-physics anomalies

Olcyr Sumensari|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、$B$-物理学の異常、すなわち $R_K^\text{exp} < R_K^\text{SM}$ と $R_{D^{(*)}}^\text{exp} > R_{D^{(*)}}^\text{SM}$ を同時に説明できる、(3,2)₁/₆スカラー粒子を有するレプトクォークモデルを提案する。このモデルは、$B \to K\mu\tau$ などのレプトンフラバー非保存崩壊を予測し、 branching ratio が最大 $6.7 \times 10^{-6}$ に達する可能性がある。また、$B_c \to \eta_c\tau\nu$ および $B_c \to \tau\nu$ の崩壊率が強化され、LHCb や将来のBファクトリーで検証可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

The $B$-physics experiments at LHCb, BaBar and Belle hint towards deviations from Lepton Flavor Universality in both the tree-level and loop-induced $B$ meson semileptonic decays. We propose a leptoquark model with light right-handed neutrinos which can accommodate both $R_K^\mathrm{exp}R_{D^{(\ast)}}^\mathrm{SM}$. We discuss several of its predictions which can be tested in modern day experiments. We also comment on the recent finding at LHCb, namely $R_{K^\ast}^{\mathrm{exp}}

研究の動機と目的

• $B$ メソン崩壊における継続的なレプトンフラバー不変性（LFU）の破れ、特に $R_K < 1$ および $R_D > 1$ の観測を解消すること。
• $R_K$ および $R_D$ 異常を同時に説明しつつ、既存のフラバー物理学の制約と矛盾しない、再正則化可能な妥当なモデルを構築すること。
• 現在のおよび将来の実験で探査可能な、レプトンフラバー非保存崩壊および $B_c$ 崩壊に対する検証可能な予測を提供すること。
• 最近の LHCb による $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ の兆候を扱い、この新しい異常を説明できるようにモデルを拡張できるかを検討すること。

提案手法

• $b \to s\ell\ell$ および $b \to c\ell\nu$ 遷移を、木レベルの結合によって媒介する、量子数 $(3,2)_{1/6}$ のスカラー粒子と、軽い右手系ニュートリノを導入する。
• $m_\Delta \sim 1\ \text{TeV}$ によるループ抑制を経由して、ウィルソン係数を導出する。低エネルギーでの有効ラグランジアンは、ヤコビ係数 $Y_L$ および $Y_R$ を用いて構築される。
• $B \to K\mu\mu$、$B \to D\tau\nu$、$B \to K\mu\tau$、$B_c \to \eta_c\tau\nu$、$B_c \to \tau\nu$ 崩壊に加え、$\tau \to \mu\gamma$ および $B_s \to \bar{B}_s$ 混合の制約を適用する。
• $B \to D$ および $B \to D^*$ 遷移のための格子QCDの形因子を用いて、$R_D$ および $R_{D^*}$ を計算する。$R_{D^*}$ については、LQCDデータが不完全なため、定性的に扱う。
• 実験的および理論的制約の下でヤコビ係数のグローバルフィットを実施し、予測可能な branching ratio を導出する。
• $R_{K^*}$ 異常をループ誘導された寄与によって説明できる、$(\bar{3},3)_{1/3}$ および $(3,2)_{7/6}$ の代替レプトクォーク状態を検討し、陽子安定性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽い右手系ニュートリノを有する単一のレプトクォークモデルが、$B$ メソン崩壊における $R_K < 1$ および $R_D > 1$ の異常を同時に説明できるか。
• RQ2 このようなモデルが予測する観測可能なレプトンフラバー非保存崩壊モードは何か。その branching ratio はどの程度か。
• RQ3 このモデルは、$B_c \to \eta_c\tau\nu$ および $B_c \to \tau\nu$ 崩壊率を、標準模型と比較してどのように変化させるか。
• RQ4 このモデルは、最近の LHCb による $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ の兆候を説明できるか。もし可能であれば、どのようなメカニズムを経由するか。
• RQ5 このモデルは、陽子安定性および他のフラバー変化過程にどのような影響を及えるか。

主な発見

• モデルは $R_K = 0.88(8)$ を予測し、実験的値 $R_K^\text{exp} = 0.745 \pm 0.090_{-0.074}^{+0.036}$ と $2.4\sigma$ の整合性を持つ。
• モデルは $R_D^\text{exp} > R_D^\text{SM}$ を $1\sigma$ のレベルで説明でき、$R_D = 0.41 \pm 0.05$ と予測する。
• レプトンフラバー非保存崩壊 $B \to K\mu\tau$ の branching ratio は、$2.1 \times 10^{-10}$ から $6.7 \times 10^{-6}$ の範囲に予測され、LHCb で観測可能である可能性がある。
• モデルは $B_c \to \eta_c\tau\nu$ 崩壊率を顕著に増強し、$R_{\eta_c}/R_{\eta_c}^\text{SM}$ は 1.02 から 1.21 の範囲に達する。
• $B_c \to \tau\nu$ の branching ratio は、標準模型の値と比較して 5.5 から 16.1 倍に増加すると予測される。
• このモデルは、木レベルの寄与では $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ を説明できないが、ループ誘導された $C_9 = -C_{10} < 0$ を持つ、別のレプトクォーク状態 $(3,2)_{7/6}$ が、陽子安定性を保ちつつそれを説明できる可能性がある。