[논문 리뷰] $b ightarrow s \mu^+ \mu^-$ anomalies and related phenomenology in $U(1)_{B_3 - x_\mu L_\mu - x_ au L_ au}$ flavor gauge models

Pyungwon Ko, Takaaki Nomura외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 73인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 B-메손 붕괴에서 관측된 b → sμ⁺μ⁻ 비정상성 현상을 설명하기 위해 U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} 리간도 게이지 모델을 제안한다. 렙톤-플레버 비일관적인 U(1)X 전하—특히 xₘ = −1/3—를 할당함으로써, 테바스케일 Z′ 보손이 생성되며, 이는 윌슨 계수 ∆Cₘ⁹ ≈ −1의 큰 음성 이완을 유도하여 LHCb 데이터와 일치한다. 최소 모델은 또한 타입-I 시즈모드를 통해 중성미온 질량을 기술하고, 디르악 페르미온을 통해 어둠료물질을 기술하며, LFV, Bs–B̄s 혼합, 잔재 밀도 제약 조건을 모두 만족시킨다.

ABSTRACT

We propose a generation dependent lepton/baryon gauge symmetry, $U(1)_{B_3 - x_\mu L_\mu - x_ au L_ au} \equiv U(1)_X$ (with $x_\mu + x_ au =1$ for anomaly cancellation), as a possible solution for the $b ightarrow s \mu^+ \mu^-$ anomalies. By introducing two Higgs doublet fields, we can reproduce the observed CKM matrix, and generate flavor changing $Z'$ interactions in the quark sector. Thus one can explain observed anomalies in $b o s \ell^+ \ell^-$ decay with the lepton non-universal $U(1)_X$ charge assignments. We show the minimal setup explaining $b o s \ell^+ \ell^-$ anomalies, neutrino masses and mixings and dark matter candidate, taking into account experimental constraints of flavor physics such as charged lepton flavor violations and the $B_s$--$\bar B_s$ mixing. Finally we discuss collider physics focusing on $Z'$ production at the Large Hadron Collider and relic density of our dark matter candidate.

연구 동기 및 목표

• LHCb가 관측한 P′₅ 및 RK/RK* 편차를 포함한 지속적인 b → sμ⁺μ⁻ 비정상성을 설명하기 위해.
• 레프톤-플레버 비일관적인 전하를 가진 최소적이고 비이상적인 U(1)X 게이지 모델을 구축하여, 필요한 Z′ 매개의 FCNC를 자연스럽게 생성하기 위해.
• b → sμ⁺μ⁻ 비정상성, 타입-I 시즈모드를 통한 중성미온 질량, 그리고 단일 프레임워크 내에서의 디르악 페르미온 어둠료물질 후보를 통합적으로 설명하기 위해.
• 실험적 제약 조건—특히 충전 렙톤 플레버 비반화(μ → eγ), Bs–B̄s 혼합, 잔재 밀도—를 사용하여 모델을 제약하고, 페르미온 물리학과의 일관성을 확보하기 위해.
• LHC에서의 관측 가능 서명, 특히 이레프온 및 미량 에너지 채널에서의 Z′ 생성, 어둠료물질 후보의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이상성 제거를 보장하기 위해 xₘ + xₜ = 1 조건을 만족하는 U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} 게이지 대칭을 도입하고, 표준모형 페르미온에 맛에 따라 다른 U(1)X 전하를 할당한다.
• 두 개의 힉스 두중체를 사용하여 현실적인 CKM 행렬을 생성하며, 두 번째 힉스(Φ₁)가 U(1)X 전하를 지닌다. 이를 통해 쿼크 질량 행렬의 작은 비대칭 항을 유도한다.
• Z′ 교환를 통한 b → sμ⁺μ⁻에 대한 효과적 상호작용을 유도하며, 음성 xₘ(예: xₘ = −1/3)가 ∆Cₘ⁹ ≈ −1을 유도함을 보여주며, 이는 글로벌 피팅 결과와 일치한다.
• 두 개의 표준모형 단일 상태 스칼라 장을 사용하여 타입-I 시즈모드 메커니즘을 통해 중성미온 질량 행렬을 구성하며, U(1)X 대칭의 깨짐을 통해 메이저라 질량이 생성된다.
• 충전 렙톤 플레버 비반화(μ → eγ), Bs–B̄s 혼합, Z′ 기여에 의한 뮤온 g−2 기여를 계산하고, 실험적 제약 조건을 적용한다.
• LHC에서의 Z′ 생성 획득률(예: pp → Z′ → μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻, νν̄)과 디르악 페르미온 어둠료물질 후보의 잔재 밀도를 micrOMEGAs를 사용하여 평가하며, 공진형 소멸 효과를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프톤-플레버 비일관적인 전하를 가진 U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} 게이지 모델이 b → sμ⁺μ⁻ 비정상성을, 특히 관측된 ∆Cₘ⁹ ≈ −1을 설명할 수 있는가?
• RQ2 Z′ 및 스칼라 기여가 혼합 진폭에서 상쇄되어 엄격한 실험 제약 조건을 만족시키기 위해 필요한 조건은 무엇인가? 이는 매개변수의 정교조정이 필요하다.
• RQ3 충전 렙톤 플레버 비반화(μ → eγ) 및 향후 μ → e 변환 실험의 제약 조건이 모델의 매개변수 공간에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 이 모델이 동시에 중성미온 질량, 타당한 디르악 페르미온 어둠료물질 후보, LHC 현상학을 설명할 수 있는가?
• RQ5 Z′ 생성의 가능성이 있는 매개변수 영역과 어둠료물질의 잔재 밀도는 무엇이며, 이는 {mZ′, gX} 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 뮤온에 대해 음성 U(1)X 전하 할당(xₘ = −1/3)이 ∆Cₘ⁹ ≈ −1을 유도하며, 이는 LHCb의 P′₅ 및 RK/RK* 데이터에 대한 글로벌 피팅 결과와 일치한다.
• Z′ 및 스칼라 기여가 혼합 진폭에서 상쇄되어야만 Bs–B̄s 혼합의 실험 제약 조건을 만족하며, 이는 매개변수의 정교조정이 필요하다.
• Z′ → νₜν̄ₜ의 분해율은 Z′ → νₘν̄ₘ의 약 16%이며, 이는 LHC에서의 미량 운동량 + 이중 렙톤 채널에서 검출 가능성을 제공한다.
• mZ′ = 1.5 TeV 및 gX = 0.6일 때 Z′ 생성 획득률은 약 1 fb로 추정되며, 이중 렙톤 모드(μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻)는 LHC 이중제트 공진 상태 탐색에 의해 제약을 받는다.
• mZ′ ≈ 2mX 인 영역에서 공진형 소멸을 통해 Z′ 매개의 어둠료물질 후보의 잔재 밀도는 플랑크 관측 결과(Ωh² = 0.1206 ± 0.0063)와 일치한다.
• 주로 χχ̄ → Z′ → τ⁺τ⁻ 채널로 소멸하는 모델은 간섭 검출 제약 조건(Fermi-LAT 등)을 충족한다. mZ′ > 500 GeV일 경우 감마선 제약 조건을 훨씬 밑도는 획득률을 가진다.