[論文レビュー] Leptoquark-vectorlike quark model for the CDF $m_W$, $(g-2)_μ$, $R_{K^{(\ast)}}$ anomalies and neutrino mass

Talal Ahmed Chowdhury, Shaikh Saad|arXiv (Cornell University)|May 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CDFの$ m_W $異常、$ (g-2)_\mu $の乖離、$ R_{K^{(*)]} $におけるレプトンフラバー普遍性の破れ、ニュートリノ質量を同時に説明できる統一モデルを提案する。このモデルは、$ W $ボソンの自己エネルギー補正（ループ効果）、ミューオンの異常磁気モーメントへの大きな寄与、および$ B $中間子崩壊振幅の木レベルの媒介を介して実現され、同時にLHC、LEP、$ \mu\to e $変換の制約とも整合している。

ABSTRACT

Very recently, a substantial $7σ$ deviation of the $W$-boson mass from the Standard Model (SM) prediction has been reported by the CDF collaboration. Furthermore, the Muon g-2 Experiment recently confirmed the longstanding tension in $(g-2)_μ$. Besides, the updated result from the LHCb collaboration found evidence for the breaking of lepton universality in beauty-quark decays, which shows a $3.1σ$ discrepancy and is consistent with their previous measurements. Motivated by several of these drawbacks of the SM, in this work, we propose a model consisting of two scalar leptoquarks and a vectorlike quark to simultaneously address the $W$-boson mass shift, the $(g-2)_μ$, and anomalies in the neutral current transitions of the $B$-meson decays. The proposed model also sheds light on the origin of neutrino mass and can be fully tested at the future colliders.

研究の動機と目的

• CDFが測定した$ W $ボソン質量における$ 7\sigma $のずれを、標準模型の予測と矛盾する形で説明すること。
• 長年の$ 4.2\sigma $のミューオンの異常磁気モーメント$ (g-2)_\mu $の乖離を解消すること。
• $ B $中間子崩壊におけるレプトンフラバー普遍性の破れを示す$ R_K $および$ R_{K^*} $比の$ 3.1\sigma $の不足を説明すること。
• 整合的な新しい物理の枠組み内でニュートリノ質量を生成するメカニズムを提供すること。
• 将来の高エネルギー加速器で検証可能であり、現象論的に妥当なモデルを構築すること。

提案手法

• 標準模型を拡張するため、2つのスカラー型レプトクォーク$ \widetilde{R}_2 \sim (3,2,1/6) $および$ S_3 \sim (\overline{3},3,1/3) $、およびベクトルライククォーク$ \psi \sim (3,2,-5/6) $を導入する。
• $ \widetilde{R}_2 $と$ S_3 $の非ゼロ混合を用いて、$ W $ボソンの自己エネルギー補正をループで生成し、$ m_W $のずれを説明する。
• 同じ混合を用いて、質量反転したベクトルライククォークのループを介し、$ (g-2)_\mu $への新しい物理的寄与を生成する。
• $ S_3 $レプトクォークの標準模型フェルミオンへのヤコビ係数を用いて、$ B \to K^{(*)}\mu^+\mu^- $崩壊を媒介し、$ R_{K^{(*)}} $の異常を説明する。
• ベクトルライククォークとレプトクォークの結合を介した、スイッチ型メカニズムを実装し、小さなニュートリノ質量を生成する。
• グローバルフィットを実施し、$ \mu\to e $変換、$ B\to K^{(*)}\nu\bar{\nu} $、$ B_s $混合、LEPデータからの制約を課して妥当性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの新しい物理モデルが、CDFの$ m_W $異常、$ (g-2)_\mu $の乖離、および$ R_{K^{(*)}} $の異常を同時に説明できるか。
• RQ2 $ レプトクォークの混合とベクトルライククォークのループが、$ W $ボソンの自己エネルギーとミューオンの$ g-2 $にどのように寄与するか。
• RQ3 $ \mu\to e $変換、$ B\to K^{(*)}\nu\bar{\nu} $、$ B_s $混合の観測量からの制約は、モデルにどのような制限を課すか。
• RQ4 モデルはスイッチ型メカニズムを介して小さなニュートリノ質量を生成できるか。
• RQ5 将来の加速器、特に$ pp $および$ e^+e^- $装置において、モデルはどの程度検証可能か。

主な発見

• モデルは、$ \widetilde{R}_2 $–$ S_3 $混合によるループ補正を通じて、CDFが測定した$ m_W = 80.4335 \pm 0.0094 $ GeVを成功裏に説明し、標準模型からの$ 7\sigma $のずれと整合的である。
• $ (g-2)_\mu $の乖離は、新しい物理的寄与$ \Delta a_\mu = (2.51 \pm 0.59) \times 10^{-9} $によって説明され、実験値と$ 4.2\sigma $の有意水準で一致する。
• $ R_K $および$ R_{K^*} $比は、$ S_3 $媒介の$ B $中間子崩壊により、標準模型からの$ 3.1\sigma $の不足として説明され、LHCbの測定と整合的である。
• モデルは、Belleの限界内に収まる$ BR(B \to K^{(*)}\nu\bar{\nu}) $比を予測する：$ R^{\nu\bar{\nu}}_K < 3.9 $および$ R^{\nu\bar{\nu}}_{K^*} < 2.7 $。
• $ B_s $混合の質量差$ \Delta m_{B_s} $は、$ |C^{NP}_1| < 2.01 \times 10^{-5}\ \text{TeV}^{-2} $に制限され、モデルはこの制約を満たしている。
• $ \mu\to e $変換率は、現在の限界$ 7 \times 10^{-13} $未満であり、将来の感度は$ 10^{-16} $に達するため、近い将来の実験で検証可能である。