[論文レビュー] Shedding light on the $b o s$ anomalies with a dark sector

D. Aristizábal Sierra, Florian Staub+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 76

ひとこと要約

本稿では、LHCbが観測した$b\to s$異常を説明するため、ダークセクターを有する標準模型のU(1)ゲージ拡張を提案する。質量のある$Z'$ボソンが、ループ誘導型カップリングを通じてフラバーを変えない中性荷電現在を媒介し、$R_K$と角度観測量をうまくフィットする一方で、制約されたパラメータ空間を有する妥当なダークマター候補を提供する。

ABSTRACT

The LHCb collaboration has recently reported on some anomalies in $b o s$ transitions. In addition to discrepancies with the Standard Model (SM) predictions in some angular observables and branching ratios, an intriguing hint for lepton universality violation was found. Here we propose a simple model that extends the SM with a dark sector charged under an additional $U(1)$ gauge symmetry. The spontaneous breaking of this symmetry gives rise to a massive $Z^\prime$ boson, which communicates the SM particles with a valid dark matter candidate, while solving the $b o s$ anomalies with contributions to the relevant observables.

研究の動機と目的

• B崩壊における持続的な$b\to s$異常、特に標準模型から逸脱する$P_5'$と$R_K$の偏差を解決すること。
• 標準模型の最小的拡張として、フラバー異常と妥当なダークマター候補を統一的に説明すること。
• $Z'$媒介の貢献とダークマターの残存密度の相互作用を通じて、パラメータ空間を制約すること。
• ヒッグスカップリングの修正とLHCにおける$Z'$生成を用いた、モデルの物性的妥当性を調査すること。

提案手法

• 複素スカラーのダークマター候補とベクトル的レプトンダブルットを有する$U(1)_X$ゲージ対称性を導入する。
• ヒッグス機構による$U(1)_X$の自発的対称性の破れを通じて、質量のある$Z'$ボソンを生成し、標準模型フェルミオンと混合することでカップリングを生じる。
• 標準模型レプトンとベクトル的状態との間にヤクビカップリングを導入し、ループレベルで$b\to s\mu\mu$および$b\to s\mu\mu$の有効オペレーターを生成する。
• 一重ループ図を用いて、$Z'$およびベクトル的フェルミオンを介した$C_9^{\text{NP}}$と$C_7^{\text{NP}}$のウィルソン係数を計算する。
• $R_K$測定値、$B\to K^*\mu\mu$の角度観測量、およびプランクによるダークマター残存密度制限を用いて、モデルのパラメータを制約する。
• $h\to\mu\mu$カップリングの抑制とLHCにおける$Z'$生成を用いて、物性的信号を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダーク$U(1)_X$セクターからの$Z'$ボソンは、$b\to s$異常と同時にダークマター候補を提供できるか？
• RQ2 ループ誘導型$Z'$カップリングが、ミュオンおよびクォークへのカップリングが$R_K$と$P_5'$観測量に与える影響は何か？
• RQ3 $Z'$媒介のフラバー物理学とダークマター残存密度の相互作用から生じる制約は何か？
• RQ4 $h\to\mu\mu$カップリングとLHCにおける$Z'$生成は、モデルのパラメータ空間に対してどの程度感度を持つのか？
• RQ5 ベクトル的フェルミオンと標準模型フェルミオンとの間のヤクビ混合の階層は、モデルの妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• モデルは、標準模型から$2.6\sigma$の逸脱を示す$R_K = 0.745^{+0.090}_{-0.074}$の測定値をうまく説明でき、$C_9^{\text{NP}}$が$Z'$貢献の主因である。
• $\mu\mu$最終状態への$Z'$の樹形レベル交換が$C_9^{\text{NP}}$に主な貢献をし、$C_7^{\text{NP}}$は部分的である（$1\%$未満の変化）。
• $h\to\mu\mu$カップリングは標準模型の値を下回り、ATLASの$95\%$信頼区間上限$\mu_{\mu\mu} < 9.8$と整合的であり、$g_{h\mu\mu} \lesssim 3.1g_{h\mu\mu}^{\text{SM}}$である。
• モデルは$R_K$、$P_5'$、およびプランクによる$\Omega_{\text{DM}}h^2$制限から、薄く、予測可能なパラメータ空間を予測する。
• フレーバー破れ制約を避けるために、第一標準模型世代へのヤクビカップリングは強く抑制されている（$\lambda_{L}^{e}, \lambda_{Q}^{d} \ll \lambda_{L}^{\mu,\tau}, \lambda_{Q}^{s,b}$）。
• 更新されたグローバルフィットにおいてもモデルは妥当であり、$R_K$を含めた場合、新物理仮説は標準模型を$4\sigma$以上優位に支持する。