[논문 리뷰] A comparative study of the $S_1$ and $U_1$ leptoquark effects at IceCube

Ilja Doršner, Svjetlana Fajfer외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 13.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 41인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 아이스컵의 최신 중성미자 데이터를 설명하는 데 있어 $S_1$ 및 $U_1$ 렙토쿼크 모델을 비교하며, 렙토쿼크 유도 및 표준모형 사건을 결합하기 위해 $χ^2$ 피팅을 사용한다. 두 모델 모두 데이터에 대한 적합도가 유사하게 열악한 편이지만, 다른 현상학적 이유로 인해 그렇다. 또한 LHC 및 저에너지 플레이버 물리학의 제약 조건도 추가 분석된다.

ABSTRACT

We study the phenomenology of two leptoquarks, the Standard Model $SU(2)$ singlets $S_1$ and $U_1$, with regard to the latest experimental data from the IceCube Collaboration. We consider a scenario when scalar (vector) leptoquark $S_1$ ($U_1$) couples exclusively to the down quark and the neutrinos (charged leptons) of all flavors. The couplings of $S_1$ ($U_1$) to the up-type quarks and the charged leptons (neutrinos) are in turn uniquely determined via $SU(2)$ symmetry. We add, in both cases, the leptoquark induced events to the Standard Model ones and perform a $\chi^2$ fit to quantify the overall agreement with the IceCube data. We further analyse whether the inferred allowed parameter space is consistent with the latest LHC data and various low-energy flavor physics measurements. We find that both leptoquarks exhibit the same level of inadequacy in explaining the current IceCube data but for different reasons. Our study offers an up-to-date analysis for these two leptoquarks in view of the latest experimental measurements.

연구 동기 및 목표

• 최근 아이스컵 중성미자 관측을 설명하는 데 있어 $S_1$ 및 $U_1$ 렙토쿼크의 타당성을 평가하기 위해.
• 렙토쿼크 기여가 아이스컵의 고에너지 중성미자 데이터에 대한 표준모형의 적합도를 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 유도된 렙토쿼크 파arameter 공간이 LHC 데이터 및 저에너지 플레이버 관측치와 일관되는지 테스트하기 위해.
• 각 렙토쿼크 모델이 아이스컵 데이터를 적합시키는 데 실패하는 데 배경이 되는 근본적인 이유를 규명하기 위해.

제안 방법

• 아이스컵의 관측된 중성미자 플럭스와 표준모형 및 렙토쿼크 유도 사건의 조합 기여를 비교하기 위해 $χ^2$ 피팅을 수행한다.
• 스칼라 $S_1$는 오직 내림 쿼크와 모든 플레이버의 중성미자와만 결합한다고 가정하며, 벡터 $U_1$는 내림 쿼크와 채널 렙톤과만 결합한다고 가정한다.
• 표준모형의 $SU(2)$ 대칭성을 사용하여 $S_1$ 및 $U_1$ 가 올라가는 쿼크와 반대되는 페르미온 종류와의 결합을 고정한다.
• 아이스컵에서 고에너지 중성미자 상호작용의 사건률 계산에 렙토쿼크 기여를 포함한다.
• 표준모형만을 사용한 경우와 비교하여 결과적인 적합도를 평가하고, 향상의 유의미성을 분석한다.
• 허용 가능한 매개변수 공간이 LHC 탐색 및 저에너지 플레이버 물리학 측정치의 제약 조건과 일치하는지 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형에 비해 $S_1$ 렙토쿼크 모델이 아이스컵의 고에너지 중성미자 데이터에 대해 더 나은 적합도를 보일 수 있는가?
• RQ2 $U_1$ 렙토쿼크 모델도 동일하게 관측된 아이스컵 데이터를 설명할 수 있는가?
• RQ3 두 모델 모두에서 관측된 낮은 적합도의 근본적인 이유는 무엇인가?
• RQ4 아이스컵 데이터로 유도된 허용 가능한 매개변수 공간이 기존의 LHC 및 저에너지 플레이버 물리학 데이터와 일치하는가?

주요 결과

• 두 모델 모두 현재 아이스컵 데이터를 설명하는 데 있어 유사한 수준의 적합도 부족을 보인다.
• 데이터에 대한 적합 실패는 비록 전체적인 적합도 수준이 유사하더라도, 각 모델에서 서로 다른 물리적 메커니즘으로 인해 발생한다.
• $S_1$의 허용 가능한 매개변수 공간은 특히 희귀한 렙톤 플레이버 위반이 발생하는 과정을 중심으로 저에너지 플레이버 관측치에 의해 제약을 받는다.
• $U_1$ 모델은 특히 벡터 렙토쿼크 부문에서 LHC 탐색 결과에 의해 더 강한 제약을 받는다.
• 통합 분석 결과, 아이스컵 데이터에 대한 표준모형 대비 렙토쿼크 모델이 유의미한 향상을 제공하지 못하는 것으로 나타났다.
• 본 연구는 최신 실험 결과를 바탕으로 $S_1$ 및 $U_1$ 렙토쿼크에 대한 종합적이고 최신의 평가를 제공한다.