[論文レビュー] Palatable Leptoquark Scenarios for Lepton Flavor Violation in Exclusive $b o s\ell_1\ell_2$ modes

Damir Bečirević, Nejc Košnik+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$B$-メソンの崩壊における異常、特に$R_K$および$B_s\to\mu\mu$の破れを説明するレプトクォークモデルを、排他的な$b\to s\ell_1\ell_2$崩壊を分析することで調査している。2つの妥当なシナリオが特定された——$(3,2)_{1/6}$二重項のスカラー・レプトクォークと$(3,3)_{2/3}$三重項のベクトル・レプトクォークであり、$(3,1)_{-1/3}$シングレットは除外された。研究では、$B_s\to\mu\tau$、$B\to K\mu\tau$、$B\to K^*\mu\tau$のBrが$\mathcal{O}(10^{-5})$のオーダーに達することを予測し、今後の実験で検証可能な信号を提示している。

ABSTRACT

We examine various scenarios that involve a light ${\cal O}(1 TeV)$ leptoquark state and select those which are compatible with the current experimental values for $\mathcal{B}(B_s o μμ)$, $\mathcal{B}(B o Kμμ)_{\mathrm{large}-q^2}$, $R_K=\mathcal{B^\prime}(B o Kμμ)/\mathcal{B^\prime}(B o Kee)$, and which lead to predictions consistent with other experimental data. We show that two such scenarios are phenomenologically plausible, namely the one with a doublet of scalar leptoquarks of hypercharge $1/6$, and the one with a triplet of vector leptoquarks of hypercharge $2/3$. We also argue that a model with a singlet scalar leptoquark of hypercharge $1/3$ is not viable. Using the present experimental data as constraints, it is shown that the exclusive lepton flavor violating decays, $\mathcal{B}(B_s o μτ)$, $\mathcal{B}(B o K μτ)$ and $\mathcal{B}(B o K^\ast μτ)$, can be as large as $\mathcal{O}(10^{-5})$.

研究の動機と目的

• $B_s\to\mu\mu$、$B\to K\mu\mu$（高$q^2$領域）および$R_K$に関する現在の実験的データと整合するレプトクォークモデルを同定すること。
• レプトンフラバー違反の文脈において、スカラーおよびベクトルのレプトクォーク、異なるゲージ量子数を有する表現の妥当性を評価すること。
• $\mu\tau$最終状態を含む排他的な$b\to s\ell_1\ell_2$崩壊の観測可能な崩壊率を予測すること。これらのモードは現在の制限によってあまり制約を受けていない。
• スカラー・レプトクォークモデルが$R_K$の異常および$B_s\to\mu\mu$の制約とどのように整合するかを、ハイパーチャージおよび表現構造に注目して評価すること。

提案手法

• スカラーおよびベクトル・レプトクォークを介した$b\to s\ell_1\ell_2$遷移の有効場理論のオペレーターを、ゲージ量子数および表現を用いて構築する。
• 有効ラグランジュ形式を用いて、$(3,2)_{1/6}$、$(3,2)_{7/6}$、$(3,1)_{-1/3}$、$(3,1)_{2/3}$、$(3,3)_{2/3}$などのさまざまなレプトクォーク状態のウィルソン係数$C_i^{\ell_1\ell_2}(\mu)$を計算する。
• $B\to K$、$B\to K^*$、$B\to D$遷移のための格子QCDの形因子を用い、完全なハドロン行列要素を含めた排他的崩壊断面積を計算する。
• $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$、$\mathcal{B}(B\to K\mu\mu)_{\text{high-}q^2}$、および$R_K$の実験的データにレプトクォークカップリングをグローバルフィットする。
• $C_9, C_{10}, C_7$ などの全係数を用いて、$B_{s}\to\ell_1\ell_2$および$B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$の角度分布およびヘリシティ振幅を導出する。
• 格子結果の最新版（参考文献[42]、[43]、[48]、[61]）を用いて、ハドロン的不確実性および形因子入力の影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$、$\mathcal{B}(B\to K\mu\mu)_{\text{high-}q^2}$、および$R_K$に関する現在の実験的制限と整合するレプトクォーク表現は何か？
• RQ2 $(3,1)_{-1/3}$表現のスカラー・レプトクォークは、$R_K$の異常を説明しつつ、$B_s\to\mu\mu$および$B\to K\mu\mu$データとも整合することができるか？
• RQ3 特定のレプトクォークモデルにおける$B_s\to\mu\tau$、$B\to K\mu\tau$、$B\to K^*\mu\tau$崩壊の予測されるBrは何か？
• RQ4 $B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$崩壊における角度分布およびヘリシティ振幅は、レプトクォークの量子数およびカップリングにどのように依存するか？
• RQ5 ハドロン的形因子は、レプトンフラバー違反$ b\to s\ell_1\ell_2 $崩壊の信号強度を制約する上で果たす役割は何か？

主な発見

• $(3,2)_{1/6}$スカラー・レプトクォーク二重項は、$R_K$異常を説明し、$B_s\to\mu\mu$および$B\to K\mu\mu$の制約を満たす、現象論的に妥当なシナリオである。
• $(3,3)_{2/3}$ベクトル・レプトクォーク三重項も妥当であり、$B\to K\mu\mu$および$R_K$に顕著な寄与をもたらし、実験データと整合する。
• $(3,1)_{-1/3}$スカラー・レプトクォークシングレットは、$B_s\to\mu\mu$のBrと$R_K$測定値との矛盾により除外された。
• 有用な$(3,2)_{1/6}$および$(3,3)_{2/3}$モデルにおいて、$B_s\to\mu\tau$のBrは$\mathcal{O}(10^{-5})$に達することが予測された。
• $B\to K\mu\tau$および$B\to K^*\mu\tau$のBrも$\mathcal{O}(10^{-5})$のオーダーに予測され、将来的なLHCbおよびBelle IIの探索の有望なターゲットである。
• 本研究は、ハドロン最終状態による率の増幅のおかげで、純粋なレプトンフラバー違反崩壊よりも、$B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$崩壊がレプトクォークモデルをより鋭く探査できると示している。