[論文レビュー] Snowmass White Paper: Flavor Model Building

Wolfgang Altmannshofer, Jure Zupan|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用数 5

ひとこと要約

このスノーマスホワイトペーパーは、標準模型のフラバー構造を解明し、精度の高いフラバー観測を用いて新しい物理学を探るための重要な枠組みとして、フラバー模型構築をレビューする。$b\to s\mu\mu$、$b\to c\tau\nu$、および$(g-2)_\mu$の異常は、新しい物理学の兆候である可能性が示され、$Z'$、レプトクォーク、およびALPといった実現可能なモデルが、LHCや将来の衝突型加速器で探査可能な範囲の新しい状態を予測している。

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass process, we summarize the role flavor model building plays in the quest for new physics. We review approaches to address the non-generic flavor structure of the Standard Model and discuss how new physics models can be made compatible with the stringent constraints from flavor changing processes that indirectly probe very high scales. We also give an overview of the persistent anomalies in B decays and the anomalous magnetic moment of the muon and some of their most popular new physics explanations.

研究の動機と目的

• $b$崩壊における継続的な異常とミュオンの異常磁気モーメントの状況を踏まえ、フラバー模型構築が新しい物理学探索をどのように導くかを分析すること。
• 標準模型におけるフェルミオン質量の階層を説明する一方で、きびしいフラバー制約を満たすUV完全モデルを構築する課題に取り組むこと。
• 特に$Z'$、レプトクォーク、またはALPを含む新しい物理学モデルが、$(g-2)_\mu$の異常と$B$物理学の異常を同時に説明しつつ、フラバー変換制約に違反しない方法を検討すること。
• フラバー構造、ネイチャラリティ、およびコンposite Higgs、追加次元、低エネルギー超対称性といった新しい物理学メカニズムとの相互作用を検討すること。
• 直接的発見がなくても、フラバー整合性のあるモデル構築から生じる、実験的に探査可能な新しい物理学のシナリオを特定すること。

提案手法

• 高次元演算子で記述される新しい物理学効果を有効場理論（EFT）を用いて記述し、スケール$\Lambda$で抑制される。$\mathcal{L}_{\text{EFT}} = \mathcal{L}^{\text{SM}} + \sum_i \frac{1}{\Lambda^{d-4}} \mathcal{C}_i \mathcal{O}_i^{d>4}$。
• 最小フラバー不変性（MFV）と異常なし$U(1)_X$ゲージ対称性の原則を適用し、フラバー変換中性荷電現在とレプトンフラバー違反を抑制する。
• 内部線でのヘリシティ反転を伴う$(g-2)_\mu$へのループ効果を分析し、軽い$Z'$（質量〜100 MeV）と重い状態（数TeV）の違いを区別する。
• $Z'$、レプトクォーク、およびアクシオン様粒子（ALP）をフラバー違反およびフラバー保存の新しい物理学の媒介者として評価し、$\mu \to e\gamma$と$B$崩壊データによる制約を受ける。
• グローバル対称性と擬スピンゴルドストーン粒子（例：QCDアクシオン）が強いCP問題を解決し、フラバー階層を生成する影響を検討する。
• 予測された新しい物理学スケールと実験的制約（特に$\mu \to e\gamma$から得られる$\Lambda_{12} \gtrsim 3600$ TeV）を比較することで、モデルの物性的妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された$b\to s\mu\mu$および$b\to c\tau\nu$崩壊の異常は、フラバー制約と整合する新しい物理学モデルで説明可能だろうか？
• RQ2 $(g-2)_\mu$の異常と$B$物理学の異常を同時に説明できる、$Z'$、レプトクォーク、またはALPといった実現可能な新しい物理学シナリオは何か？
• RQ3 $(g-2)_\mu$異常を説明するモデルにおいて、フラバー対称性とアライメント機構は、どのようにレプトンフラバー違反を抑制するのか？
• RQ4 $B$物理学と$(g-2)_\mu$の異常が示唆する新しい物理学スケールは何か？そして、それはLHCや将来の衝突型加速器で探査可能だろうか？
• RQ5 コンポジットHiggs、追加次元、または低エネルギー超対称性といったUV完全モデルは、フラバー変換制約を避けるために、非一般なフラバー構造を必要とするのか？

主な発見

• $b\to s\mu\mu$および$b\to c\tau\nu$の異常、加えて$(g-2)_\mu$の乖離は、1つの新しい物理学寄与項によって説明される場合、ミュオン磁気モーメントの新しい物理学スケールが約15 TeVであると示唆している。
• 質量〜100 MeVの軽い$Z'$ボソンが$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性に従ってカップルするモデルは、フラバー整合性のおかげで$\mu \to e\gamma$制約に違反せず、$(g-2)_\mu$を説明できる。
• 内部ミュオン線でのヘリシティ反転が発生するモデルでは、新しい物理学スケールが約100 MeVにまで抑制され、このような$Z'$モデルは高強度実験で非常に検証可能である。
• 一方、新しい物理学線でのヘリシティ反転が発生するモデルでは、レプトクォークや超対称的シナリオのように、数TeVに達する質量を持つ新しい状態を必要とし、必要な$(g-2)_\mu$寄与を生成する。
• $\mu \to e\gamma$信号の不在は、フラバー違反新しい物理学スケールが~3600 TeVを超える必要があることを示唆しており、実現可能なモデルでは、きめ細やかなフラバー整合性または対称性保護が必要となる。
• 多くの実現可能なモデル—$Z'$、レプトクォーク、またはALPを含む—は、現在の異常の確認がなされれば、LHCや次世代の衝突型加速器で探査可能な新しい状態を予測している。