[논문 리뷰] A simple model to explain the observed muon sector anomalies and small neutrino masses

Lobsang Dhargyal|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 최소적 확장을 제안하며, 새로운 U(1)F 게이지 대칭, 무거운 벡터형 렙톤, 렙톤쿼크, 관성 힉스 두중항, 오른쪽 수반 메이저라 네이트론을 포함하여, 뮤온 g-2 이상, R(K*) 이상, P5' 이상을 동시에 설명하고, 스코토제닉 메커니즘을 통해 작은 중성미온 질량을 생성하며, B-메손 붕괴와 계층물리학에 대한 엄격한 실험 제약 조건을 모두 만족한다.

ABSTRACT

Since its inception, no decisive departure from the predictions of Standard Model (SM) has been reported. But recently various experiments have observed few hints of possible departure from SM predictions in lepton flavor universality observables such as $R_{K^{(*)}}$, $P_{5}^{'}$, muon (g-2), $R(D^{(*)})$ etc. Many of these observable where deviation from SM in the range of (2-4)$σ$ were observed are related to muon ($μ$) lepton. So these deviations may be some hint of a possible New Physics (NP) in the muon sector. In this work we extend the SM by introducing two SM singlet heavy charged leptons ($F_{e},\ F_μ$) whose left handed components are charged under a new $U(1)_{F}$ gauge symmetry, one color triplet lepto-quark ($ϕ_{Q}$) doublet under $SU(2)_{L}$, one inert Higgs doublet ($ϕ_{l}$), three very heavy Majorana neutrinos ($N_{iR}$), all of which are odd under a $Z_{2}$ discrete symmetry. One more scalar ($ϕ$) charged only under the $U(1)_{F}$ whose VEV give masses to the $U(1)_{F}$ gauge boson as well as the heavy leptons. With these new particles, we show that the observed anomalies in the muon sector as well as small neutrino masses can be explained with taking into account all the other experimental and theoretical constrains till date.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 (g-2), R(K*), P5' 관측량에서 오랫동안 지속된 이상을 설명하기 위해, 뮤온 부문에서 새로운 물리학이 존재할 가능성을 제기한다.
• 무거운 오른쪽 메이저라 중성미온을 포함한 한 번의 루프 스코토제닉 메커니즘을 통해 작은 중성미온 질량을 생성한다.
• 단일 이론적 프레임워크 내에서 이러한 현상을 통합하는 최소적이고 이상이 없는 모델을 구축한다.
• B0-B̄0 혼합, b→sγ, 그리고 Bs→μμ 붕괴에서의 엄격한 실험적 제약 조건과의 일치를 확보한다.
• 관측된 편차를 설명하면서도 기존 제약 조건을 위반하지 않는 매개변수 영역을 규명한다.

제안 방법

• 두 개의 SM 싱게터 무거운 전하 렙톤(Fe, Fμ)을 도입하며, 그들의 왼쪽 성분은 새로운 U(1)F 게이지 대칭에 따라 변환되며, Fμ는 뮤온과 결합하여 (g-2)와 R(K*)를 설명한다.
• SU(2)L에 대해 삼중체인 렙톤쿼크(ϕQ) 이중체와 복소수 관성 힉스 두중항(ϕl)을 도입하며, 모두 Z2 대칭에 대해 홀수이므로 수준에서의 FCNC를 억제한다.
• U(1)F에 의해 전하를 띠는 새로운 스칼라 ϕ를 도입하며, 진공 기대값(VEV)을 취함으로써 U(1)F 게이지 보손과 무거운 렙톤의 질량을 부여한다.
• 세 개의 무거운 오른쪽 메이저라 중성미온(NiR)을 도입하며, 관성 힉스 두중항과 결합하여 한 번의 루프 스코토제닉 메커니즘을 통해 메이저라 중성미온 질량을 생성한다.
• Fμ와 ϕQ를 포함한 박스 다이어그램을 통해 효과적 윌슨 계수 C9^NP = -C10^NP ≈ -0.66를 생성하며, R(K*)와 P5' 데이터의 글로벌 피팅과 일치한다.
• Z2 대칭을 도입하여 가장 가벼운 관성 스칼라(H0)가 어둠의 물질 후보가 되고, 계층보존 상호작용을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 모델이 관측된 3.6σ 수준의 뮤온 (g-2) 이상, 2.6σ 수준의 R(K*) 이상, 2.2σ 수준의 P5' 이상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 나무 수준의 계층변형 중성미온 흐름을 피하면서 한 번의 루프에서 작은 중성미온 질량을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 Bs→μμ, B0-B̄0 혼합, b→sγ에서의 엄격한 제약 조건을 만족하는 가용 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ4 기타 정밀 전자약력 및 계층물리 관측량과 충돌하지 않으면서도 관측된 뮤온 (g-2) 이상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 가장 가벼운 관성 스칼라(H0)는 이 프레임워크에서 타당한 어둠의 물질 후보인가? 그리고 고립 밀도 기여가 상당한가?

주요 결과

• 모델은 R(K*)와 P5' 이상에 대한 글로벌 피팅과 일치하는 1σ 범위 내에서 NP 윌슨 계수 C9^NP = -C10^NP ≈ -0.66를 생성한다.
• Bs→μμ의 예측 붕괴율은 2.63×10⁻⁹이며, 실험 값(2.8⁺⁰.⁷₋₀.⁶×10⁻⁹)의 1σ 범위 내에 있어 이 모드에서의 엄격한 제약 조건을 충족한다.
• μH=2mW에서 b→sγ에 대한 기여는 |C7 + 0.24C8| ≈ 2.5×10⁻³으로, 2σ 실험 한계인 0.07 이하에 위치하여 데이터와의 일치를 보장한다.
• 모델은 C_D̄D^NP ≈ 3.4×10⁻⁸ TeV⁻²를 예측하며, |C_D̄D^Exp| < 2.7×10⁻⁷ TeV⁻²의 2σ 한계 이내에 있어 충분히 안정적이다.
• 스코토제닉 메커니즘을 통해 약 0.04 eV 수준의 중성미온 질량이 생성되며, 양자역학적 결합 상수 |h₁₁|² ≈ 10⁻⁷ 및 약 2.6×10⁷ GeV 수준의 무거운 메이저라 질량 스케일을 필요로 한다.
• 가장 가벼운 관성 스칼라 H₀는 타당한 어둠의 물질 후보이지만, 뮤온 (g-2) 이상을 설명하기 위해 필요한 큰 양자역학적 결합 상수로 인해 고립 밀도 기여는 무시할 만큼 작으며, 천체물리학적 제약 조건과 일치한다.