[論文レビュー] Singlet Heavy Fermions as the Origin of B Anomalies in Flavour Changing Neutral Currents

Francisco J. Botella, G.C. Branco+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、$b\to s\ell\bar{\ell}$遷移におけるB異常を、$Z$ボソンおよびボックス交換を伴うループ図を介してレプトンフレーバー不変性の破れ（LFUV）を生成する、単一状態の重いフェルミオン（特にベクトル型のクォークと重いニュートリノ）が説明可能であると提案する。モデルは、離散的フレーバー対称性と$3\times3$PMNS行列のユニタリティ制約により、危険なFCNCを抑制することで、$b\to s\mu\bar{\mu}$における約15％のニュートリノ物理学的寄与を達成し、$\delta C_9 \simeq -0.6$を実現する。

ABSTRACT

We show that a simple extension of the Standard Model involving the introduction of vector-like quarks and heavy neutrinos, provides an explanation of the so called B-anomalies in $b o s\ell\bar\ell$ transitions. Vector-like quarks can explain, in the context of a discrete flavour symmetry, all the relevant characteristics of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa sector. It is in this framework that we study the requirements on the masses of the vector like quarks and the heavy neutrinos leading to viable models with sufficient deviations of lepton flavour universality and which simultaneously avoid too large Flavour Changing Neutral Current effects. Related predictions on $b o d\ell\bar\ell$ and $s o d\ell\bar\ell$ transitions are also analysed in detail.

研究の動機と目的

• 観測された$B$異常、特に$R_{K^{(*))}}$におけるレプトンフレーバー不変性の破れ（LFUV）を、$b\to s\ell\bar{\ell}$遷移において説明すること。
• 離散的フレーバー対称性によってCKM項を再現する、ベクトル型クォークと重いニュートリノを含む標準模型の最小限の拡張を構築すること。
• 標準模型のクォーク間におけるツリー階層の$Z$およびヒッグス媒介FCNCを抑制することで、モデルが大きなFCNCを避けること。
• LFUVが$\sim 15\%$のレベルで$b\to s\mu\bar{\mu}$に生成され、同時に電弱精度観測量およびレプトンフレーバー不変性の制約と整合するように、ベクトル型クォークおよび重いニュートリノの質量と混合パラメータを制約すること。

提案手法

• 標準模型フェルミオンと混合する新しい重いフェルミオンとして、ベクトル型クォークと重いニュートリノを導入し、小さなCKM行列要素を説明するための離散的フレーバー対称性を保存する。
• 仮想の重いクォークおよびニュートリノを含むボックスおよび$Z$ペナム図を介した、$b\to s\ell\bar{\ell}$への1ループ寄与を計算する。
• ウィルソン係数$C_9$および$C_{10}$を用いた有効ハミルトニアンアプローチを用い、ニュートリノ物理学的寄与をモデル化する。特に、$C_9^{[\mu]} \simeq -0.6$という標準模型からのずれに注目する。
• PMNS行列の非ユニタリティをパラメータ化した$\Delta_\ell = 1 - \sum_j |U_{\ell j}|^2$を用いて、重いニュートリノの$\mu$および$e$との中間混合を制約する。
• $G_\mu$対$G_\beta$および$g_\mu/g_e$比の制約を適用し、$\Delta_\mu \lesssim 1.8\times10^{-3}$を3$\sigma$で制限する。
• $b\to d\ell\bar{\ell}$および$s\to d\ell\bar{\ell}$遷移の予測を分析し、他の$B$物理学観測量との整合性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトル型クォークと重いニュートリノを含む単純な標準模型の拡張は、大きなFCNCを引き起こさずに、$b\to s\ell\bar{\ell}$遷移における$B$異常を説明可能か？
• RQ2 LFUVが$\sim 15\%$のレベルで$b\to s\mu\bar{\mu}$に生成され、$\delta C_9 \simeq -0.6$を達成するためには、ベクトル型クォークおよび重いニュートリノの必要な質量と混合パターンは何か？
• RQ3 非ユニタリティPMNS混合を持つ重いニュートリノの導入は、$b\to s\mu\bar{\mu}$におけるレプトンフレーバー不変性の破れをどのように引き起こすか？同時に、$b\to se\bar{e}$は標準模型レベルで保存されるか？
• RQ4 電弱精度観測量および$g_\mu/g_e$比からの制約は、重いニュートリノ混合にどのような制限を課し、LFUVの大きさをどのように制限するか？
• RQ5 $b\to d\ell\bar{\ell}$および$s\to d\ell\bar{\ell}$遷移の予測は、現在の実験データおよびグローバルフィットと整合するか？

主な発見

• モデルは、$\mu_b = 4.8$ GeVにおける$b\to s\mu\bar{\mu}$へのニュートリノ物理学的寄与を$\delta C_9 \simeq -0.6$として生成し、$R_{K^{(*)}}$データへのグローバルフィットと整合する。
• $Z$媒介ペナム図およびボックス図（仮想のベクトル型クォークおよび重いニュートリノを含む）が、LFUVの主な寄与源を占め、特に$Z$ペナムが主要な寄与を担う。
• ユニタリティテストによる重いニュートリノの$\mu$および$e$との中間混合は制約を受ける：$G_\mu$対$G\_\beta$および$g_\mu/g_e$比から、$\Delta_\mu \lesssim 1.8\times10^{-3}$が3$\sigma$で制限される。
• 離散的フレーバー対称性のおかげで、標準模型クォーク間のツリー階層FCNCが自然に抑制される一方、ループ階層FCNCは$\sim 15\%$のレベルで許容される。
• $b\to d\ell\bar{\ell}$および$s\to d\ell\bar{\ell}$遷移の予測は、現在のデータと整合しており、新たな矛盾を引き起こさない。
• 3$\sigma$で許容される$\mu$と重いニュートリノの最大混合は$|U_{\mu j}|^2 \lesssim 1.8\times10^{-3}$であり、$\Delta_e = 0$を仮定すれば$1.4\times10^{-3}$まで制限される。