[論文レビュー] Probing the $R_{K^{(*)}}$ Anomaly at a Muon Collider

Guoyuan Huang, Sudip Jana+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、$R_{K^{(*)}}$ 異常を $B$ 物理学において高エネルギーのミューオン衝突機を用いて $μ^+\mu^- \to b\bar{s}$ 反応を通じて探査することを提案している。$Z^\prime$ ボソンおよびレプトクォークモデルをテストする。$σ{s} = 6$ TeV および $4\ \text{ab}^{-1}$ の全ラウンド光度において、$R_{K^{(*)}}$ データのグローバルフィットが示す $2\sigma$ パラメータ領域を、$s$ チャネルの $Z^\prime$ および $t$ チャネルのレプトクォークの両方のシナリオを含めて完全にカバーできる。

ABSTRACT

The LHCb measurements of the $\ensuremath{\mu}/e$ ratio in $B\ensuremath{ ightarrow}K\ensuremath{\ell}\ensuremath{\ell}$ decays $({R}_{K})$ indicate a deficit with respect to the Standard Model prediction, supporting earlier hints of lepton universality violation observed in the ${R}_{{K}^{(*)}}$ ratio. Possible explanations of these $B$-physics anomalies include heavy ${Z}^{\ensuremath{'}}$ bosons or scalar and vector leptoquarks mediating $b\ensuremath{ ightarrow}s{\ensuremath{\mu}}^{+}{\ensuremath{\mu}}^{\ensuremath{-}}$. We note that a muon collider can directly measure this process via ${\ensuremath{\mu}}^{+}{\ensuremath{\mu}}^{\ensuremath{-}}\ensuremath{ ightarrow}b\overline{s}$ and can shed light on the lepton nonuniversality scenario. Investigating currently discussed center-of-mass energies $\sqrt{s}=3$, 6 and 10 TeV, we show that the parameter space of ${Z}^{\ensuremath{'}}$ and leptoquark solutions to the ${R}_{{K}^{(*)}}$ anomalies can be mostly covered. Effective operators explaining the anomalies can be probed with the muon collider setup $\sqrt{s}=6 ext{ } ext{ }\mathrm{TeV}$ and integrated luminosity $L=4 ext{ } ext{ }{\mathrm{ab}}^{\ensuremath{-}1}$.

研究の動機と目的

• 将来のミューオン衝突機を用いて、$b \to s \mu^+ \mu^-$ 遷移におけるレプトンのユニバーサリティの破れを示唆する $R_{K^{(*)}}$ 異常をテストすること。
• ミューオン衝突機実験の感度を、$R_{K^{(*)}}$ 異常の解明に寄与すると考えられる $Z^\prime$ ボソンおよびスカラー／ベクトル レプトクォークに対して評価すること。
• $\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$ 反応が、この異常を裏付ける有効オペレーター構造をどのように探査できるかを検討すること。
• フレーバー分離とダイジェットの標準模型（SM）バックグラウンドが、異なる中心系エネルギーにおける信号検出に与える影響を評価すること。
• グローバル $B$ 物理フィットから得られる $2\sigma$ の好ましいパラメータ領域をカバーするための必要な衝突機エネルギーと光度を確立すること。

提案手法

• $s$ チャネルの $Z^\prime$ ボソンおよび $t$ チャネルのスカラー／ベクトル レプトクォークを用いて $R_{K^{(*)}}$ 異常をモデル化し、$b\bar{s}\mu^+\mu^-$ への結合を有効ラグランジアンで記述する。
• $\sqrt{s} = 3$, 6, および 10 TeV における $\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$ 截面を計算し、$t$ チャネルおよび $s$ チャネルの寄与を含める。
• フレーバー分離の有無にかかわらず、レプトクォーク信号と SM ダイジェット バックグラウンドを比較することで、信号対バックグラウンド比を評価する。
• 高質量のレプトクォーク（$M_{S_3} = 30$ TeV）を統合された粒子として扱い、有効場理論を用いて、係数 $C_9^\mu$ および $C_{10}^\mu$ を持つ有効オペレーターに帰着させる。
• $L = 4\ \text{ab}^{-1} \cdot [\sqrt{s}/(6\ \text{TeV})]^2$ を仮定し、$\sqrt{s}$ の関数として $|C_9^\mu|^2 + |C_{10}^\mu|^2$ に対する $3\sigma$ 感度分析を実施する。
• 高エネルギー二ミューオン尾部の既存の LHC 制限および HL-LHC の予測と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $σ{s} = 6$ TeV および $L = 4\ \text{ab}^{-1}$ のミューオン衝突機は、$R_{K^{(*)}}$ 異常を説明する $Z^\prime$ およびレプトクォークモデルの $2\sigma$ パラメータ領域を完全に探査可能か？
• RQ2 フレーバー分離は、SM ダイジェット バックグラウンドを超える $\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$ の感度にどのように影響するか？
• RQ3 $t$ チャネルのレプトクォーク交換は、$s$ チャネルの $Z^\prime$ 寄与と比較して、どの程度截面を増幅させるか？
• RQ4 ミューオン衝突機は、$b\to s\mu^+\mu^-$ 遷移における有効オペレーター $C_9^\mu$ および $C_{10}^\mu$ に対してどの程度感度を持つのか？
• RQ5 結果は、既存の LHC 制限および将来の HL-LHC 予測（$bs\mu\mu$ 結合に関して）とどのように比較できるか？

主な発見

• $\sqrt{s} = 6$ TeV および $L = 4\ \text{ab}^{-1}$ の条件下で、ミューオン衝突機はグローバル $B$ 物理フィットから得られる $C_9^\mu = -C_{10}^\mu \in [0.29, 0.57]$ の $2\sigma$ 好ましい領域を完全に探査可能である。
• 最良適合点 $C_9^\mu = -C_{10}^\mu = -0.43$ はフレーバー分離なしでも到達可能であり、$\sqrt{s} \gtrsim 6$ TeV でフレーバー分離を用いれば、$2\sigma$ 全域がカバー可能である。
• ベクトル レプトクォークでは、低 $Q^2$ における $t$ チャネル強化が小質量領域での感度を向上させるが、スカラー レプトクォークはカイラル反転のためそのような強化がない。
• レプトクォーク質量が $M_{S_3} = 30$ TeV に達すると、信号対バックグラウンド比はほぼ一定となり、デカップリングおよび有効オペレーター支配の兆候が示される。
• $\sqrt{s} = 6$ TeV における $\mu^+\mu^- \to b\bar{s}$ 反応は、$R_{K^{(*)}}$ 異常を説明する $Z^\prime$ ボソンおよびレプトクォークモデルに対して高い統計的有意性で探査可能である。
• $\sqrt{s} = 6$ TeV および $L = 4\ \text{ab}^{-1}$ の設定は、関連するエネルギー範囲において、$bs\mu\mu$ 結合に関して既存の LHC 制限および HL-LHC 予測を上回る性能を示す。