[논문 리뷰] Analysis of $\Lambda_{b} ightarrow$ $\Lambda \mu^{+} \mu^{-}$ decay in scalar leptoquark model

Shuai-wei Wang, Ya-Dong Yang|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스칼라 렙토쿼크 모델 X(3,2,7/6)와 X(3,2,1/6) 내에서 바리온 붕괴 Λb → Λμ⁺μ⁻을 분석하여 미분 붕괴 폭, 편광 비대칭도, 전진-후행 비대칭도에 미치는 영향을 조사한다. 연구 결과, X(3,2,7/6) 렙토쿼크 모델이 특정 이중 렙톤 편광 비대칭도에 상당한 영향을 미치며, 표준모형이 실패하는 LHCb 데이터의 이면에서 발생하는 이면 현상에 대한 잠재적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

We analyze the baryonic semilepton decay $\Lambda_{b} ightarrow$ $\Lambda \mu^{+} \mu^{-}$ in the scalar leptoquark models with $X(3,2,7/6)$ and $X(3,2,1/6)$ states, respectively. We also discuss the effects of this two NP models on some physical observables. For some measured observables, like the differential decay width, the longitudinal polarization of the dilepton system, the lepton-side forward-backward asymmetry and the baryon-side forward-backward asymmetry, we find, the prediction values of SM are consistent with the current data in the most $q^{2}$ ranges, where the prediction values of this two NP models can also keep consistent with the current data with $1\sigma$. However, in some $q^{2}$ ranges, the prediction values of SM are difficult to meet the current data, but the contributions of this two NP models can meet them or keep closer to them. For the double lepton polarization asymmetries, $P_{LT}$, $P_{TL}$, $P_{NN}$ and $P_{TT}$ are sensitive to the scalar leptoquark model $X(3,2,7/6)$ but not to $X(3,2,1/6)$. However, $P_{LN}$, $P_{NL}$, $P_{TN}$ and $P_{NT}$ are not sensitive to this two NP models.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 렙토쿼크 모델 X(3,2,7/6)와 X(3,2,1/6)가 바리온 붕괴 Λb → Λμ⁺μ⁻에 미치는 영향을 조사한다.
• 이러한 렙토쿼크 모델이 표준모형 예측과 현재 LHCb 데이터 사이의 격차를 설명할 수 있는지 평가한다. 관측량으로서의 미분 붕괴 폭과 전진-후행 비대칭도를 포함한다.
• 특히 표준모형이 실험 데이터와 일치하지 않는 영역에서, 이중 렙톤 편광 비대칭도가 두 렙토쿼크 모델에 얼마나 민감한지 조사한다.
• Bs → μ⁺μ⁻ 및 Bd → Xsμ⁺μ⁻ 붕괴로부터의 기존 제약 조건을 활용하여 렙토쿼크 결합 상수를 제약한다.
• 표준모형과의 비교를 통해 각 렙토쿼크 모델이 Λb → Λμ⁺μ⁻의 핵심 관측량에 어떻게 영향을 미치는지 분석한다.

제안 방법

• 표준모형에서 Λb → Λμ⁺μ⁻ 붕괴의 효과적 해밀토니안을 구성하며, QCD 보정과 비인과적 강입자 효과를 포함한 Wilson 계수 Ceff_7(q²) 및 Ceff_9(q²)를 사용한다. 저값 q² 영역에서 불확실도를 5%로 증가시킨다.
• 두 개의 스칼라 렙토쿼크 모델인 X(3,2,7/6)와 X(3,2,1/6)를 도입하며, SU(3)×SU(2)×U(1) 게이지 불변성과 Fierz 변환을 통해 상호작용 라그랑지안을 유도하고, 새로운 Wilson 계수 CNP_9 및 CNP_10를 유도한다.
• QCD 경로상 수학적 합계 규칙(LCSR)을 적용하여 Λb → Λ 붕괴의 전이 형상 인자들을 계산한다. 이는 붕괴율과 비대칭도 계산에 필수적이다.
• Bs → μ⁺μ⁻ 및 Bd → Xsμ⁺μ⁻ 붕괴로부터 유도된 제약 조건을 활용하여 렙토쿼크 결합 상수의 허용 가능한 파rameter 공간을 설정하며, 두 모델 모두에 대해 |λλ*/M²|의 상한을 5×10⁻⁹ GeV⁻²로 설정한다.
• q²에 대한 함수로써 관측량을 수치적으로 평가한다: 미분 붕괴 폭, 이중 렙톤의 종방향 편광 비대칭도 FL, 렙톤 측면 및 바리온 측면의 전진-후행 비대칭도(AFB^μ 및 AFB^Λ), 이중 렙톤 편광 비대칭도(PLT, PT L, PNN, PT T, PLN, PNL, PT N, PNT).
• 표준모형과 두 새로운 물리 모델의 예측을 LHCb 데이터와 비교하며, 주로 긴장이 있는 영역에서 1σ 일치성과 민감도를 중점적으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 렙토쿼크 모델 X(3,2,7/6)와 X(3,2,1/6)는 표준모형 예측과 LHCb 데이터 사이의 Λb → Λμ⁺μ⁻ 붕괴 관측량에 대한 격차를 설명할 수 있는가?
• RQ2 두 렙토쿼크 모델은 특히 표준모형이 실험 측정치와 일치하지 않는 영역에서 이중 렙톤 편광 비대칭도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 X(3,2,7/6)와 X(3,2,1/6) 모델의 예측이 표준모형에서 크게 벗어나고 현재 데이터와의 일치도 향상되는 q² 범위는 어디인가?
• RQ4 어느 편광 비대칭도가 X(3,2,7/6) 렙토쿼크 모델에 가장 민감하고, 어느 것은 둘 다의 새로운 물리 모델에 거의 영향을 받지 않는가?
• RQ5 기존의 희귀 B-메손 붕괴 데이터를 기반으로 렙토쿼크 결합 상수를 어느 정도 제약할 수 있으며, 이는 Λb → Λμ⁺μ⁻ 측정치와 일치하는가?

주요 결과

• 표준모형에서의 미분 붕괴 폭, 이중 렙톤 종방향 편광 비대칭도 FL, 렙톤 측면 전진-후행 비대칭도 AFB^μ, 바리온 측면 전진-후행 비대칭도 AFB^Λ는 대부분의 q² 범위에서 현재 LHCb 데이터와 일치한다.
• q² 범위 0.1 < q² < 1 GeV²/c²에서, 표준모형의 AFB^μ 예측은 1σ 범위 내에서 실험 데이터와 일치하지 않지만, X(3,2,7/6) 렙토쿼크 모델은 이 예측을 데이터와 일치시키는 데 성공한다.
• 이중 렙톤 편광 비대칭도 PLT, PT L, PNN, PT T는 X(3,2,7/6) 렙토쿼크 모델에 매우 민감하게 반응하며, 이는 이 붕괴 채널에서 새로운 물리의 탐지 수단으로서의 잠재력을 시사한다.
• 반대로, PLN, PNL, PT N, PNT는 표준모형에서 거의 0에 가까우며, 두 렙토쿼크 모델에 대해 약한 의존성을 보이므로, 뉴트럴 물리 모델 간의 구별에 유용하지 않다.
• X(3,2,1/6) 렙토쿼크 모델은 모든 이중 렙톤 편광 비대칭도에 거의 영향을 주지 않으며, 이는 편광 관측량의 이면 현상 설명에 덜 효과적임을 의미한다.
• 통합 분석 결과, X(3,2,7/6) 모델은 특히 표준모형이 데이터와 긴장이 있는 저값 q² 영역에서 전진-후행 비대칭도 및 편광 관측량의 편차를 타당하게 설명할 수 있음을 보여준다.