[論文レビュー] Modified lepton couplings and the Cabibbo-angle anomaly

Antônio Coutinho, Andreas Crivellin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノがゲージボソンと相互作用する際のレプトンフラバー普遍性の破れ（LFUV）が、Cabibbo角の異常——異なる過程からの$V_{us}$決定値の不一致——に起因すると提案する。モデルに依存しないベイズ的グローバルフィットを用いて、電子およびミューオンニュートリノの結合に非ゼロの修正が強い証拠（99.99％以上の信頼水準、4σ以上）で存在することを示し、ミューオン系で構成的干渉を要することが判明。単純な右巻きニュートリノモデルは除外される。

ABSTRACT

Significant discrepancies between the different determinations of the Cabibbo angle have been observed. Here, we point out that this "Cabibbo-angle anomaly" can be explained by lepton flavour universality (LFU) violating New Physics (NP) in the neutrino sector. However, modified neutrino couplings to Standard Model gauge bosons also affect many other observables sensitive to LFU violation, which have to be taken into account in order to assess the viability of this explanation. Therefore, we perform a model-independent Bayesian global analysis and find that non-zero modifications of electron and muon neutrino couplings are preferred at more than $99.99\%\,{ m C.L.}$ (corresponding to more than $4\,σ$). Our results show that constructive effects in the muon sector are necessary, meaning simple models with right-handed neutrinos are discarded and more sophisticated NP models required.

研究の動機と目的

• 異なる過程からの$V_{us}$決定値の間にある継続的な不一致を解消すること。
• ニュートリノ系におけるレプトンフラバー普遍性の破れ（LFUV）が、この異常を説明できるかどうかを調査すること。
• ニュートリノが$W$および$Z$ボソンと結合する際の修正が、新物理の説明として妥当かどうかを評価すること。
• 精度の高い電弱、LFUテスト、および$V_{us}$決定に寄与する観測量を統合したグローバルフィットを実施すること。
• 単純なモデル（例：右巻きニュートリノ）がデータと整合するかどうかを検証すること。

提案手法

• ニュートリノが$W$および$Z$ボソンと結合する際の修正を、次元6の有効場理論（EFT）を用いて記述する。単一のオペレーターで記述される。
• ウィルソン係数の効果を、$W\ell\nu \sim (\delta_{ij} + \frac{1}{2}\varepsilon_{ij})$ および $Z\nu\nu \sim (\delta_{ij} + \varepsilon_{ij})$ としてパラメータライズする。
• HEPfitパッケージを用いてベイズ的グローバルフィットを実施。$G_F$、$\alpha$、$M_Z$、$m_t$、$m_H$、$V_{us}^\mathcal{L}$、および$\varepsilon_{ii}$を、適切な事前分布とともに統合する。
• 精度の高い電弱観測量（LEP、Tevatron、LHC）、LFU比（$W$崩壊、$K/\pi/\tau$崩壊）、および$K_{\mu3}$、$K/\pi$、$\tau$、および超許容的$\beta$崩壊からの$V_{us}$決定値を含む。
• 間接的効果を$G_F$のシフトとして扱う：$G_F = G_F^\mathcal{L}(1 + \frac{1}{2}\varepsilon_{ee} + \frac{1}{2}\varepsilon_{\mu\mu})$。
• 情報基準（IC）を用いて標準模型（SM）と新物理（NP）モデルを比較し、より低いICがより優れた予測精度とフィットを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ結合におけるレプトンフラバー普遍性の破れが、Cabibbo角の異常を説明できるか？
• RQ2 精度の高い電弱およびLFU破れ観測量へのグローバルフィットから、修正されたニュートリノ結合に課せられる制約は何か？
• RQ3 標準模型は現在のデータと整合するか、それともニュートリノ系に新物理の強い証拠があるか？
• RQ4 グローバルフィットの結果を踏まえて、単純な右巻きニュートリノモデルは依然として妥当性を保っているか？
• RQ5 異常を解消するために、$\varepsilon_{ee}$と$\varepsilon_{\mu\mu}$の間にはどのような相互作用（干渉）が必要か？

主な発見

• 電子およびミューオンニュートリノの結合に非ゼロの修正が、99.99％を超える信用水準（4σ以上）で支持されている。
• $\varepsilon_{ee}$と$\varepsilon_{\mu\mu}$パラメータは符号が逆で反相関を示しており、ミューオン系で構成的干渉が生じていることを示唆している。
• 標準模型（SM）は強く否定される：$\text{IC}_{\rm SM} \simeq 93$ 対 $\text{IC}_{\rm NP} \simeq 76$ であり、これは「非常に強い」新物理の証拠を示している。
• 単純な右巻きニュートリノモデルは、破壊的干渉を要するため、データと整合せず除外される。
• 異常は、超許容的$\beta$崩壊および$K_{\mu3}$崩壊の修正によって最も強く影響を受ける。ここで、$V_{us}^{K_{\mu3}} \simeq |V_{us}^\mathcal{L}|(1 - \frac{1}{2}\varepsilon_{ee})$ および $V_{us}^{\beta} \simeq \sqrt{1 - |V_{ud}^\mathcal{L}|^2(1 - \frac{1}{2}\varepsilon_{\mu\mu})^2}$ である。
• グローバルフィットの結果、NP下での$V_{us}$の事後分布は、入力に依存せず一貫しており、$G_F$の修正により超許容的$\beta$崩壊で最大のシフトが生じている。