[論文レビュー] Saga of the two GUT leptoquarks in flavor universality and collider searches

Ilja Doršner, Svjetlana Fajfer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、B中間子崩壊におけるレプトン普遍性の破れ、特にR(K⁎)およびR(D⁎])の逸脱を説明するため、2つの軽量スカラー中間子（S₃およびR̃₂）を提案する。S₃は第二および第三世代のレプトンおよびクォークに対して左巻きのカップリングを介して両方の異常を媒介するが、R̃₂状態はSU(5) GUTにおけるゲージカップリングの統一を保ち、厳密なフレーバー制約を満たす。このモデルはB → K̄μ⁺μ⁻崩壊に対する感受性の向上を予測し、LHCにおける高質量ττ最終状態および中間子対生成を通じて、大規模なτレプトンカップリングがテスト可能である。

ABSTRACT

We introduce two light scalar leptoquarks to accomodate the recent hints of lepton universality violation in $B$ meson decays. Scalar leptoquark $S_3 (\overline{3},3,1/3)$ with left-handed couplings to 2nd and 3rd generations of charged leptons and down-type quarks addresses both $R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$. The second state, $ ilde R_2(3,2,1/6)$, ensures compatibility with additional flavor constraints and secures unification of gauge couplings in the context of an $SU(5)$ GUT model without any conflict with the stringent limits from observed proton stability. We present the global fit of the flavor couplings and identify $B o K \bar u u$ as the most sensitive channel to probe this model. Large couplings to $ au$ leptons are confronted with the experimental searches for $ au$ final states at the Large Hadron Collider. These searches comprise a study of decay products of the leptoquark pair production, as well as, and more importantly, an analysis of the high-mass $ au au$ final states.

研究の動機と目的

• 観測されたB中間子崩壊における異常、特にR(K⁎)およびR(D⁎])を説明すること。これはレプトン普遍性の破れを示唆している。
• SU(5) GUTフレームワーク内でゲージカップリングの統一を維持する、実現可能な標準模型の拡張を構築すること。
• 希少崩壊および希少K中間子過程を含む、きびしいフレーバー物理学的制約を満たすこと。
• モデルをテストするための最も感受性の高いコライダー過程を同定すること、特にLHCにおけるもの。
• 現在および将来のLHC探索を踏まえて、τレプトンへの大きなカップリングが妥当であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 左巻きカップリングを有する2つのスカラー中間子S₃(3̄,3,1/3)（μ、τレプトンおよびd、sクォークとカップル）と、R̃₂(3,2,1/6)（フレーバーおよび統一を安定化）を導入する。
• これらの中間子を含む最小限のSU(5) GUTモデルを構築し、陽子崩壊の制限と矛盾しないようにゲージカップリングの統一を保証する。
• R(K⁎]、R(D⁎]、および希少KおよびB崩壊を含むフレーバー観測量のグローバルフィットを実施し、モデルパラメータを制約する。
• S₃の寄与が強化されるため、B → K̄μ⁺μ⁻がモデルをテストする上で最も感受性の高いフレーバー過程であると特定する。
• 中間子対生成および単一中間子崩壊からの高質量ττ最終状態に注目したLHCシグネチャを分析する。
• 特にτレプトンへの大きなカップリングの文脈で、既存のLHC探索結果（τレプトン最終状態）を用いてモデルのパラメータ空間を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つのレプトン中間子モデルは、フレーバーまたは統一の制約に反しない範囲で、R(K⁎]およびR(D⁎])の異常を同時に説明できるか？
• RQ2 S₃およびR̃₂の特定の量子数およびカップリングは、陽子安定性およびSU(5)ゲージカップリングの統一にどのように適合するか？
• RQ3 モデルの予測に対して最も感受性の高いフレーバー崩壊過程は何か？そして、LHCで探査可能か？
• RQ4 特に高質量ττ最終状態および中間子対生成において、モデルの支配的LHCシグネチャは何か？
• RQ5 現在のLHC探索（特にτレプトン最終状態）は、τレプトンへの大きなカップリングを想定した場合、モデルのパラメータ空間をどのように制約するか？

主な発見

• 左巻きカップリングを有するS₃中間子が、μおよびτレプトンおよびダウン型クォークとカップルすることで、S₃のフレームワーク内でR(K⁎]およびR(D⁎])の両異常を一貫して説明可能である。
• R̃₂中間子の導入により、モデルは陽子安定性とSU(5)ゲージカップリングの統一の両方に適合するようになる。
• グローバルフィットにより、S₃の交換による寄与が強化されるため、B → K̄μ⁺μ⁻がモデルをテストする上で最も感受性の高いフレーバー過程であると特定された。
• LHC探索により、特に高質量ττ最終状態および中間子対生成チャンネルで、τレプトンへの大きなカップリングが制約を受けている。
• このモデルは、LHCにおける高質量ττ最終状態に観測可能なシグネチャを予測しており、今後のテストにおいてこれらのチャンネルが極めて重要である。
• フレーバー制約とコライダーのシグネチャの相互作用を考慮すると、現在の実験的制限のもとでもモデルは妥当性を保っている。