[論文レビュー] $R_{K^{(*)}}$ anomaly in type-III 2HDM

Abdesslam Arhrib, Rachid Benbrik+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、タイプ-III二ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）における$R_{K^{(*)}}$異常を調査し、大きな$\tan\beta$を有する軽量の charged Higgs ボソンが、$B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$崩壊における標準模型からの観測されたずれを説明できることを示している。このモデルは、charged Higgs ピンガルおよびボックス図を通じて、$R_{K^{(*)}}$、$B_s \to \mu^+\mu^-$、および他のレアな$b \to s\mu^+\mu^-$過程を、タイプ-II 2HDMとは異なり、うまく説明できる。

ABSTRACT

Recent experimental results provided by the CMS and LHCb, Belle and BaBar collaborations are showing a tension with the SM predictions in $R_{K^{(*)}}$, which might call for an explanation from new physics. In this work, we examine this tension in the type-III two-Higgs doublet models. We focus on the contributions of charged Higgs boson to the observable(s) $R_{K^{(*)}}$ and other rare processes $ΔM_q$ ($q=s,d$), $B o X_s γ$ $B_s o μ^+ μ^{-}$ and $B_q o X_s μ^+ μ^{-}$, which are governed by the same effective Hamiltonian. It is found that regions of large $ anβ$ and light charged Higgs mass $m_{H^\pm}$ can explain the measured value of $R_{K^{(*)}}$ and accommodate other B physics data as well. In contrast, the type-II two-Higgs doublet model can not.

研究の動機と目的

• 観測された$R_{K^{(*)}}$異常、すなわち$B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$崩壊における標準模型からの2.6\sigmaのずれを説明すること。
• タイプ-III 2HDMが、$R_{K^{(*)}}$、$B_s \to \mu^+\mu^-$、および他のレアな$b \to s\mu^+\mu^-$過程を同時に説明できるかどうかを検証すること。
• タイプ-II 2HDMが$R_{K^{(*)}}$異常を説明できないのに対し、タイプ-III 2HDMがその可能性を有するかを比較すること。
• 負の$C_9^\mu \sim -1$を実現するパラメータ領域——特に軽量の$m_{H^\pm}$と大きな$\tan\beta$——を特定すること。

提案手法

• タイプ-III 2HDMにおける$b \to s\mu^+\mu^-$遷移の有効ハミルトニアンを構築し、charged Higgs ピンガルおよびボックス図からの寄与を含める。
• charged Higgs およびフェルミオンの結合を含む一次ループ図を用いて、ウィルソン係数$C_9^\mu$および$C_{10}^\mu$を計算する。
• ピッグナルおよびボックス振幅を評価するためのループ関数$f_i(x,y)$および$g_j(x,y)$を用い、$x = m_b^2/m_{H^\pm}^2$、$y = m_s^2/m_{H^\pm}^2$とする。
• $R_{K^{(*)}}$、$\Delta M_s$、$\Delta M_d$、$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$、$B_q \to X_s\mu^+\mu^-$の観測量に対するグローバルフィットを実施する。
• 電弱精度テスト、ヒッグス信号強度、およびフレーバー変換中性荷電流（FCNC）からの制約を適用する。
• LHCb、Belle、BaBarからの実験的データと比較し、特に$R_{K^{(*))}}$および$R_{B_s}$に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-III 2HDMは、他の$B$物理学的制約に反しない範囲で、負の$C_9^\mu$を有する状態で$R_{K^{(*))}}$異常を説明できるか？
• RQ2 $m_{H^\pm}$–$\tan\beta$平面における$R_{K^{(*))}}$データを再現可能な有効なパラメータ領域は何か？
• RQ3 なぜタイプ-III 2HDMは、$R_{K^{(*))}}$異常を説明できるのに対し、タイプ-II 2HDMは失敗するのか？
• RQ4 タイプ-III 2HDMにおいて、$B_s \to \mu^+\mu^-$および$R_{B_s}$におけるcharged Higgsの寄与は、標準模型の予測と比べてどうなるか？
• RQ5 このモデルは、同一の新物理セクターを通じて$P_5'$異常と$R_{K^{(*))}}$異常の両方を同時に説明できるか？

主な発見

• 負の$C_9^\mu \sim -1$を生成するには、大きな$\tan\beta$および軽量のcharged Higgs質量$m_{H^\pm}$が必要であり、これは標準模型からの4.3\sigmaのずれと一致する。
• タイプ-III 2HDMは、$R_{K^{(*)}} = 0.745^{+0.090}_{-0.074}$および$R^{\rm low}_{K^*} = 0.660^{+0.110}_{-0.070}$を測定値の1\sigma以内に一致させることができる。
• このモデルは、標準模型の値を下回る$R_{B_s} \sim 0.9$を予測し、$B_s \to \mu^+\mu^-$で観測された10\%の不足と整合的である。
• タイプ-II 2HDMは、フレーバー変換結合と$Z$-ピンガル抑制のため、$R_{K^{(*))}}$異常を説明できないのに対し、タイプ-IIIモデルはそのような問題を回避できる。
• パラメータ$\tan\beta \sim 10$および$m_{H^\pm} \lesssim 100\,{\rm GeV}$の下で、$\Delta M_s$、$\Delta M_d$、$B \to X_s\gamma$、$B_q \to X_s\mu^+\mu^-$についてもモデルは整合的である。
• タイプ-III 2HDMの有効ハミルトニアンは、$H^\pm$交換を伴う$Z$-および$\gamma$-ピンガル図を通じて$C_9^\mu \sim -1$を生成し、これは大きな$\tan\beta$と軽量の$m_{H^\pm}$に起因する。