[論文レビュー] The third type of fermion mixing and indirect limits on the Pati-Salam leptoquark mass

А. В. Кузнецов, Н. В. Михеев+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、クォーク-レプトン対称性に基づく $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_R$ のパティ＝サラム型拡張を検討し、整合性を保つために、標準的なPMNSおよびCKM混合とは異なる第三のフェルミオン混合が必要であることを示している。最新のLHCによる $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰変データを用いて、ベクトルレプトクォーク質量の更新された間接的制約を導出し、非対称混合の状況では $M_X > 41~\text{TeV}$ が得られた。これは、以前の制約を10倍以上改善した。

ABSTRACT

The low-energy manifestations of a minimal extension of the electroweak standard model based on the quark-lepton symmetry $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes G_R$ of the Pati-Salam type are analyzed. Given this symmetry the third type of mixing in the interactions of the $SU(4)_V$ leptoquarks with quarks and leptons is shown to be required. An additional arbitrariness of the mixing parameters could allow, in principle, to decrease noticeably the indirect lower bound on the vector leptoquark mass originated from the low-energy rare processes, strongly suppressed in the standard model.

研究の動機と目的

• 標準模型の最小限のパティ＝サラム型拡張の低エネルギー的実現を分析すること。
• $SU(4)_V$ レプトクォーク相互作用において、これまでに考慮されていなかった「第三のタイプ」のフェルミオン混合を同定および特徴付けること。
• 希少カイソンおよびB中間子の衰変に関する最新の実験的上限を用いて、ベクトルレプトクォーク質量の間接的制約を導出すること。
• 非対称な左・右ヘリシティ混合行列が、これらの間接的制約の強度に与える影響を評価すること。

提案手法

• モデルは、フェルミオンが $SU(4)_V$ および $SU(2)_L$ の基本表現に変換するゲージ群 $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_R$ を採用する。
• 第三の混合は、左・右ヘリシティフェルミオンに対して独立した $SU(4)_V$ 混合行列 $\mathcal{D}^{(L)}$ および $\mathcal{D}^{(R)}$ に起因する。
• レプトクォーク結合を含む有効ラグランジアンを用いて、$K^0_L \to e^\pm\mu^\mp$、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$、$B^0_s \to e^+\mu^-$ などの希少過程の理論的振幅を計算する。
• 理論的分岐比と、CMSおよびLHCbが報告した $B^0_d$、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰変の実験的上限を比較することで制約を導出する。
• 対称的（$\mathcal{D}^{(L)} \sim \mathcal{D}^{(R)}$）および非対称的（$\mathcal{D}^{(L)} \neq \mathcal{D}^{(R)}$）混合の2つの状況を区別して分析する。
• 最終的な制約は、非対称混合仮定のもとで、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ および $B^0_s \to e^+\mu^-$ 衰変からの最も厳しい制約を組み合わせることで得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $SU(4)_V$ レプトクォークモデルにおいて、標準的なCKMおよびPMNS混合とは異なる第三のフェルミオン混合が果たす役割は何か？
• RQ2 独立した左・右ヘリシティ混合行列が、ベクトルレプトクォーク質量の間接的制約に与える影響は何か？
• RQ3 希少 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰変に関する最新のLHCデータが、間接的質量制約に与える影響は何か？
• RQ4 非対称混合状況では、レプトクォーク質量の間接的下限が著しく弱体化する可能性はあるか？

主な発見

• $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_R$ モデルでは、低エネルギーの素粒子物理学的現象と整合させるために、第三のフェルミオン混合が必須である。
• 対称的混合の場合、ベクトルレプトクォーク質量の間接的下限は $M_X > 38~\text{TeV}$ である。
• 非対称的混合の場合、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ および $B^0_s \to e^+\mu^-$ 衰変の寄与が抑制されるため、制約が改善され、$M_X > 41~\text{TeV}$ となる。
• LHCbによる $Br(B^0_s \to \mu^+\mu^-) < 3.8 \times 10^{-9}$ の最新データが、非対称状況では $M_X > 94~\text{TeV} \cdot |\cos\chi_L|^{1/2}$ まで制約を厳しくした。
• 最終的な制約 $M_X > 41~\text{TeV}$ は、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ および $B^0_s \to e^+\mu^-$ の両方の衰変限界から得られた最も強い制約と整合しており、頑健である。
• 結果として、非対称混合が制約を著しく緩和することはないことが示され、予想に反して制約は40 TeVを超えて維持される。