[논문 리뷰] A vector leptoquark interpretation of the muon $g-2$ and $B$ anomalies

Mingxuan Du, Jinhan Liang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 양성자 g-2 비일관성과 B-메손 붕괴 비일관성(즉, R_K^{(*)} 및 R_D^{(*))})을 동시에 설명할 수 있는 벡터 렙토쿼크(U₁ = (3,1,2/3))를 제안한다. 왼쪽과 오른쪽 편극을 가진 페르미온들과 동일하게 결합함으로써, 모형은 Δa_μ에 큰 양의 기여를 생성하지만, 별개의 결합을 통해 R_K^{(*)}와 R_D^{(*))} 비일관성을 독립적으로 조정한다. LHC 제약 조건을 만족하는 1.5에서 4 TeV 사이의 타당한 매개변수 공간이 존재한다.

ABSTRACT

We show that a single vector leptoquark can explain both the muon $g-2$ anomaly recently measured by the Muon g-2 experiment at Fermilab, and the various $B$ decay anomalies, including the $R_{D^{(*)}}$ and $R_{K^{(*)}}$ anomalies which have been recently reported by the LHCb experiment. In order to provide sizeable positive new physics contributions to the muon $g-2$, we assume that the vector leptoquark particle couples to both left-handed and right-handed fermions with equal strength. Our model is found to satisfy the experimental constraints from the large hadron collider.

연구 동기 및 목표

• Fermilab의 Muon g-2 실험에서 관측된 장기적인 양성자 비자기모멘트 불일치(Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹)를 해결하기 위해.
• 특히 R_K^{(*)} < 1과 R_D^{(*)} > 1를 보여주는 렙톤 프리미티브 유니버설리티 위반 신호를 포함해 B-메손 붕괴 비일관성을 동시에 설명하기 위해.
• 쌍생성, 단일 생성, 고운동량 이레프톤 탐색에 대한 엄격한 LHC 제약 조건을 만족하는 단일 벡터 렙토쿼크를 갖는 최소 모형을 구축하기 위해.
• 왼쪽과 오른쪽 편극 결합이 모두 필수적임을 보여주어, 기존 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서도 Δa_μ에 큰 양의 기여를 생성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• SU(3)_c × SU(2)_L × U(1)_Y 아래에서 (3,1,2/3)로 변환하는 벡터 렙토쿼크 U₁를 가정하고, 벡터형 상호작용을 통해 왼쪽과 오른쪽 페르미온 모두와 결합한다.
• 상호작용 라그랑지안: 𝒟 = x_ij^L (Q_L^i γ_μ L_L^j) U₁^μ + x_ij^R (d_R^i γ_μ ℓ_R^j) U₁^μ + h.c.로 표현되며, 여기서 i,j는 세대 인덱스이고, V를 통해 CKM 혼합이 발생한다.
• R_D^{(*)}를 표준모형 값 이상으로 높이기 위해 x_bτ = 5x_bμ로 설정하고, R_K^{(*)}를 표준모형 값 이하로 낮추기 위해 x_sμ = -0.005( x_bμ와 반대 부호)로 설정한다.
• U₁ 교환에 의한 한 개의 루프 기여를 통해 양성자 자기모멘트 비일관성 Δa_μ를 계산하며, 주로 U₁–μ–b 및 U₁–μ–τ 꼬리에서 기여가 크다.
• b→sℓℓ 및 b→cℓν 전이에서 U₁ 교환에 기반한 효과적 해밀토니안을 사용하여 R_K^{(*)}와 R_D^{(*))}를 평가한다.
• 고운동량 이레프톤 탐색(LHC 제약 조건)에서 x_bμ < 1과 쌍생성 렙토쿼크 탐색에서 m_U₁ > 1.5 TeV를 통해 타당한 매개변수 공간을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 벡터 렙토쿼크가 일관된 프레임워크 내에서 양성자 g-2 비일관성과 B-메손 붕괴 비일관성(R_K^{(*)}, R_D^{(*))})을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 왼쪽과 오른쪽 편극 결합이 LHC 제약 조건을 만족하면서도 Δa_μ에 큰 양의 기여를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 신규 물리 기여에서 반대 부호 요구 조건을 만족함에도 불구하고, R_K^{(*)} < 1과 R_D^{(*)} > 1를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ4 모든 현재 실험 제약 조건을 만족하는 벡터 렙토쿼크의 타당한 질량 및 결합 범위는 무엇인가?
• RQ5 고운동량 이레프톤 탐색과 쌍생성 렙토쿼크 탐색에서의 제약 조건이 允許된 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 벡터 렙토쿼크 U₁의 1.5–4 TeV 질량 범위는 타당하며, 동시에 양성자 g-2 비일관성(Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹)과 B-붕괴 비일관성 R_K^{(*)} 및 R_D^{(*))}를 설명할 수 있다.
• Δa_μ에 큰 양의 기여를 생성하기 위해 왼쪽과 오른쪽 편극 페르미온과의 결합 강도가 동일해야 한다(x_L = x_R)는 조건이 모형에서 필수적이다.
• R_K^{(*)} 비일관성(R_K^{(*)} < 1)은 음의 x_sμ 결합으로 설명되며, R_D^{(*)} 비일관성(R_D^{(*)} > 1)은 x_bτ = 5x_bμ로 큰 x_bτ 결합이 주도한다.
• 고운동량 이레프톤 탐색에서의 LHC 제약 조건은 m_U₁ > 3.5 TeV일 경우 x_bμ > 1을 배제한다. 또한 쌍생성 탐색은 m_U₁ < 1.5 TeV인 경우를 배제한다.
• 1.5 TeV에서 4 TeV 사이의 매개변수 공간은 모든 현재 LHC 제약 조건을 만족하며, 모든 비일관성을 동시에 설명할 수 있다.
• 스칼라 렙토쿼크 모형에서 관찰되는 긴장과는 달리, 별개의 결합 구조 덕분에 R_K^{(*)}와 R_D^{(*)}를 독립적으로 조정할 수 있어 모형은 이를 피한다.