[論文レビュー] Scalar diquark in t tbar production and constraints on Yukawa sector of grand unified theories

Nejc Košnik, Ilja Doršner+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ハイパーチャージ 4/3 を持つカラーレススカラーディクォーク（Δ）を、トップクォークの前後方向非対称性およびミューオンの異常磁気モーメントの解決策として提案している。Δが、きびしいフレーバー変換中性カラーランダムおよびレプトンフレーバー違反の制約を満たしつつ、両方の異常を同時に説明できることを示しており、560 GeV未満の好ましい質量窓と、大統一理論におけるヤコビ行列の特定のカップリング階層を想定している。

ABSTRACT

A colored weak singlet scalar state with hypercharge 4/3 is one of the possible candidates for the explanation of the unexpectedly large forward-backward asymmetry in $t \bar t$ production as measured by the CDF and D0 experiments. We investigate the role of this state in a plethora of flavor changing neutral current processes and precision observables of down-quarks and charged leptons. Our analysis includes tree- and loop-level mediated observables in the K and B systems, the charged lepton sector, as well as the $Z o b \bar b$ width. We perform a fit of the relevant scalar couplings. This approach can explain the $(g-2)_μ$ anomaly while tensions among the CP violating observables in the quark sector, most notably the nonstandard CP phase (and width difference) in the $B_s$ system cannot be fully relaxed. The results are interpreted in a class of GUT models which allow for a light colored scalar with a mass below 1 TeV.

研究の動機と目的

• テバトロンでの t\bar{t} 生産における大きな前後方向非対称性を、ハイパーチャージ 4/3 を持つカラーレススカラーディクォークを用いて説明すること。
• ディクォークがダウンクォークおよびチャージドレプトンを含むフレーバー変換中性カラーランダム過程に与える影響を調査すること。
• 低エネルギー精度観測量を満たしつつ、ミューオンの異常磁気モーメントの異常を解消できるか、ディクォークの妥当性を評価すること。
• SU(5) および SO(10) の大統一理論の文脈で、ディクォークのヤコビ行列のカップリングを制約すること。
• 実験データのグローバルフィットを用いて、ディクォークの質量およびカップリングの許容可能なパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• スカラーディクォーク Δ は、右巻きのアップ型クォークと反対称ヤコビ行列 $ g_{ij} $ を介してカップリングし、$ g_{ut} $ が t\bar{t} 生産の増幅を引き起こす。
• 有効場理論を用いて、スケール $ \mu = m_\Delta $ で、$ D-\bar{D} $ 混在、$ B_s $ 混在、$ Z \to b\bar{b} $ 幅、およびレア崩壊において、Δ による 樹形およびループ形の寄与を評価した。
• C=2 の $ D-\bar{D} $ 混在のための有効ハミルトニアンは、$ \mathcal{H}^{\Delta C=2} \propto (g_{ut}g_{ct}^*)^2 h(m_\Delta^2/m_t^2) Q_6 $ と導出され、$ Q_6 $ は四クォーク演算子である。
• ミューオンの異常磁気モーメントは、$ Y_{\mu i} $ カップリングを通じてミューオンおよびダウンクォークと結合する一次ループ図により計算され、$ a_\mu^{\rm new} \propto \sum_i |Y_{\mu i}|^2 m_\mu^2 / m_\Delta^2 $ を得る。
• 15 個の自由度（$ a_\mu $、CKM マトリクス要素、$ \Delta m_s $、$ \sin 2\beta $ を含む）をカバーするグローバル $ \chi^2 $ フィットを実施し、$ Y $ マトリクスを制約した。
• テバトロンでのディジェットおよびシングルトップ生成からの制約により $ |g_{uc}| $ が制限され、LHC での第二世代レプトンクォークのデータから $ m_\Delta \gtrsim 380 $ GeV の下限が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーチャージ 4/3 を持つカラーレススカラーディクォークは、t\bar{t} 生産における大きな前後方向非対称性とミューオンの異常磁気モーメントの両方を同時に説明できるか？
• RQ2 D-\bar{D} 混在およびテバトロンのディジェット／シングルトップデータから、ディクォークの charm および up クォークへのカップリングにどのような制約があるか？
• RQ3 レプトンフレーバー違反およびフレーバー変換中性カラーランダム過程は、ディクォークのチャージドレプトンおよびダウンクォークへのヤコビカップリングにどのような制約を与えるか？
• RQ4 統合された実験的制約を踏まえた場合、SU(5) および SO(10) の大統一理論におけるディクォークの妥当な質量窓は何か？
• RQ5 ダウンクォークおよびチャージドレプトン系における対称ヤコビ構造は、軽いディクォークが存在する場合に整合するか？

主な発見

• 摂動的制約により $ m_\Delta < 560 $ GeV であり、LHC データにより $ m_\Delta \gtrsim 380 $ GeV であるため、発見のための狭い質量窓が得られた。
• グローバル $ \chi^2 $ フィットにより、15 個の自由度で $ \chi^2_{\rm min} = 2.5 $ が得られ、データと非常に良好に一致しており、$ a_\mu $ 異常は完全に解消された。
• $ Y_{\mu i} $ の 1σ 允許範囲には、状況に応じて $ Y_{\mu d} $、$ Y_{\mu s} $、または $ Y_{\mu b} $ が 1 に近い値を含むが、$ Y_{\mu e} $ は強く抑制されている。
• $ D-\bar{D} $ 混在の制約により、位相の仮定に依存せず、$ |g_{ct}| $ は 2σ 確信度で $ < 0.0038 $ に制限される。
• ディジェットおよびシングルトップデータにより $ |g_{uc}| $ が制限され、テバトロンのデータは $ m_\Delta $–$ |g_{uc}| $ 平面の広い領域を除外した。
• ダウンクォークおよびチャージドレプトン系における対称ヤコビ構造は、軽いディクォークの状況では整合しない。これは、$ m_\Delta $ が低エネルギー物理学から十分に分離できるほど重くない限り成立しない。