[論文レビュー] Linking lepton number violation with $B$ anomalies

Oscar Catà, Thomas Mannel|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、$B$-ボゾンの異常 $R_{K^{(*)}}$ と $R_{D^{(*)}}$ を同時に説明する最小限の二スカラー粒子レプトクォーク模型を提案する。この模型は、1ループの放射修正メカニズムによりメジャナネutrino質量を生成する。異常によって制約されたレプトクォークの結合定数と質量を用いることで、自然に正しいオーダーのニュートリノ質量が得られ、低〜TeVスケールにおけるレプトン数の破れとレプトンフレーバー不変性の破れが結びつく。

ABSTRACT

Hints of violation of lepton flavor universality in semileptonic $B$ decays have prompted a renewed interest in leptoquarks at the low TeV scale. Among the different scenarios suggested, some happen to violate also lepton number, yet not much attention has been paid to the expected size of the associated lepton number violating processes. In this note we examine this issue. We find that there is a single leptoquark scenario compatible with the current size of the anomalies which also violates lepton number. In this scenario (Majorana) neutrino masses are radiatively generated. With the leptoquark parameters extracted from fitting the flavor anomalies, one actually gets the right order of magnitude for neutrino masses. We examine the associated effective field theories both at the electroweak scale and at the hadronic scale and estimate the size of the most relevant lepton number violating processes.

研究の動機と目的

• レプトクォーク模型が$B$-ボゾンの異常を説明できる場合、レプトン数の破れを介してメジャナニュートリノ質量を説明できるかを検討すること。
• $R_{K^{(*)}}$ および $R_{D^{(*)}}$ 異常と放射ニュートリノ質量生成を両立させる最小のレプトクォーク状況を同定すること。
• 特にLHCbおよびBelle II実験において、このような状況でのレプトン数破れ過程の実験的検出可能性を評価すること。
• 観測された$B$-異常のスケールが自然に正しいオーダーのニュートリノ質量をもたらすかを検証すること。

提案手法

• レプトクォークの量子数として $\eta(3,2,\frac{1}{6})$ と $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ を持つ二スカラー粒子レプトクォーク模型を構築し、$b\to c\ell\ell$ および $b\to s\ell\ell$ 遷移を記述すること。
• 電弱スケールおよびハドロンスケールでレプトクォークを積分し、有効場理論的手法を用いて次元6およびそれ以上の次元の演算子を導出すること。
• $\chi$ レプトクォークの $t_3=0$ 成分を用いて、メジャナニュートリノ質量のための1ループ寄与（次元5のワインバーグ演算子）を計算すること。
• 導出された有効演算子を用いて、レプトン数破れ過程（$\Delta L=2$ 遷移や $b\to s\nu\bar{\nu}$）の大きさを推定すること。
• 予測されたニュートリノ質量を観測値と比較し、一貫性をテストすること。
• 現在および将来の実験（LHCb、Belle II）がレプトン数破れ信号を検出できる範囲を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのレプトクォーク模型が、$R_{K^{(*)}}$ および $R_{D^{(*)}}$ 異常を説明すると同時に、レプトン数を破れるか？
• RQ2 $B$-異常をフィットするために必要なレプトクォークの結合定数と質量が、自然に正しいオーダーのニュートリノ質量を生成するか？
• RQ3 この模型におけるレプトン数破れ過程は、LHCb や Belle II 実験で検出可能か？
• RQ4 $B$-異常、ニュートリノ質量生成、および陽子安定性を同時に説明できる一意の二レプトクォーク状況は存在するか？
• RQ5 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ レプトクォークが、ニュートリノ質量とミュオンの異常磁気モーメントの両方を媒介する役割を果たすか？

主な発見

• $\eta(3,2,\frac{1}{6})$ および $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ レプトクォークを有する模型は、$R_{K^{(*)}}$ および $R_{D^{(*)}}$ 異常を同時に説明し、1ループ機構でメジャナニュートリノ質量を生成する唯一の二スカラー粒子状況である。
• $B$-異常によって固定されたレプトクォークの結合定数と質量を用いることで、1ループのワインバーグ演算子から予測されるニュートリノ質量は、正しいオーダーの大きさをとる。
• $\Delta L=2$ 遷移などのレプトン数破れ過程は極めて抑制されており、現在のLHCbおよびBelle II実験では検出不可能である。
• $b\to s\nu\bar{\nu}$ 衰え率は標準模型に対して $\mathcal{O}(1)$ のずれを示すが、ニュートリノと反ニュートリノの最終状態が区別できないため、レプトン数破れによるものと断定することはできない。
• $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ レプトクォークは、ミュオンの異常磁気モーメントにも寄与し、観測された乖離と追加の整合性を提供する。
• この模型は、レプトンフレーバー不変性の破れ、レプトン数の破れ、ニュートリノ質量生成のスケールがすべて低〜TeVスケールで一致する統一的枠組みを実現する。