[논문 리뷰] $B-L$ violating nucleon decays as a probe of leptoquarks and implications for baryogenesis

Chandan Hati, Utpal Sarkar|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 87인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 $B-L$ 위반 핵자 붕괴—특히 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 및 $p \to \nu\pi^{+}$와 같은 모드—가 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크를 모델에 종속되지 않게 탐지할 수 있으며, B-팩토리에서 관측된 $B$-붕괴 이상 현상과 직접 연결된다는 것을 제안한다. 주요 결과는 이러한 붕괴가 $10^{11}$ GeV에 이르는 $B-L$ 위반 스케일을 제약할 수 있고, 스파일러론의 세척 효과를 견디는 $B-L$ 위반 비대칭성을 통해 새로운 방식의 바리온제네시스를 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

We study the effective $B-L$ violating couplings for scalar and vector leptoquarks which can naturally induce dimension seven $B-L$ violating operators leading to very interesting nucleon decay modes such as $n \ ightarrow e^- \\pi^+, e^-K^+,\\mu^- \\pi^+, \\mu^-K^+$ and $p \ ightarrow \ u \\pi^+$. This opens a new window to probe the nature and couplings of the scalar and vector leptoquarks in an ultraviolet model independent way which can provide an orthogonal probe for scalar and vector leptoquark solutions to the recent anomalous $B$-decay data. Furthermore, we also discuss how these $B-L$ violating interactions can also pave a new way to understand the origin of matter-antimatter asymmetry of the Universe.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크를 모델에 종속되지 않게 탐지할 수 있는 $B-L$ 위반 핵자 붕괴 모드—예를 들어 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 및 $p \to \nu\pi^{+}$—가 어떻게 작용하는지 조사하는 것.
• 이러한 $B-L$ 위반 붕괴 모드가 $R_{K^{(*)}}$ 및 $R_{D^{(*)}}$에서 관측된 $B$-붕괴 이상 현상과 어떻게 연결되는지 분석하여, 테바 스케일에서의 새로운 물리 현상의 가능성을 제시하는 것.
• $B-L$ 위반 상호작용이 바리온제네시스에 미치는 영향을 탐구하며, 특히 스파일러론 과정을 견디는 $B-L$ 비대칭성이 어떻게 형성되는지 분석하는 것.
• $SO(10)$, 패티-살람, $SU(5)$와 같은 GUT 프레임워크에서 이러한 상호작용의 UV 완성도를 분석하고, 저에너지 렙토쿠아크 질량의 실현 가능성 평가.
• 최종 바리온 비대칭성과 $n \to e^{-}\pi^{+}$의 부분 수명 사이의 상관관계를 설정하여 천체물리학적 물질-반물질 비대칭성을 핵자 붕괴와 연결하는 것.

제안 방법

• 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크에 의해 유도되는 효과적인 차원 일곱의 $B-L$ 위반 연산자를 구성하며, $Δ(B-L) = -2$이다.
• 효과적 필드 이론 기법과 렙토쿠아크 결합을 사용하여 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 및 $p \to \nu\pi^{+}$와 같은 핵자 붕괴 진폭을 유도한다.
• 핵자 붕괴 비율이 $B-L$ 위반 스케일과 렙토쿠아크 질량의 비율에 어떻게 의존하는지 분석함으로써, $10^{11}$ GeV에 이르는 스케일을 간접적으로 탐지할 수 있도록 한다.
• 열역학적 필드 이론을 활용하여 오른쪽 수중성자 붕괴에 의한 최종 바리온 비대칭성을 계산하고, 세척 효과를 고려한다.
• 수중성자 질량이 $ uc uc\Delta^{c}$ 항을 통해 메이저라나 질량으로 생성되며, 이는 중성자 질량 생성과 $B-L$ 위반과 연결된다.
• 기준 매개변수(예: $M_{S_1} = 10^{16}$ GeV, $M_{\nu^c} = 1$ TeV, $\lambda = 10^{11}$ GeV)를 사용하여 바리온 비대칭성과 핵자 붕괴 수명 사이의 상관관계를 수치적으로 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크를 모델에 종속되지 않게 탐지할 수 있는 $B-L$ 위반 핵자 붕괴 모드—예를 들어 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 및 $p \to \nu\pi^{+}$—가 존재하는가?
• RQ2 $R_{K^{(*)}}$ 및 $R_{D^{(*)}}$에서 관측된 $B$-붕괴 이상 현상은 렙토쿠아크의 결합 상수와 질량을 어떻게 제약하며, 이러한 요소들은 핵자 붕괴를 통해 탐지될 수 있는가?
• RQ3 초기 우주에서의 $B-L$ 위반 상호작용이 스파일러론 과정을 견디는 바리온 비대칭성을 얼마나 잘 생성할 수 있는가?
• RQ4 $B-L$ 위반 상호작용가 존재할 경우, 최종 바리온 비대칭성과 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 붕괴 모드의 부분 수명 사이의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ5 $SO(10)$ 및 패티-살람과 같은 UV 완성된 GUT 모델은 어떻게 필요한 $B-L$ 위반 결합과 렙토쿠아크 상호작용을 실현하는가?

주요 결과

• $B-L$ 위반 핵자 붕괴 모드인 $n \to e^{-}\pi^{+}$, $n \to \mu^{-}\pi^{+}$, $p \to \nu\pi^{+}$는 $Δ(B-L) = -2$인 효과적 차원 일곱 연산자를 통해 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크에 의해 유도된다.
• 이러한 붕괴 모드는 현재의 콜라이더 실험으로는 도달할 수 없는 $10^{11}$ GeV에 이르는 $B-L$ 위반 스케일을 탐지할 수 있으며, 렙토쿠아크가 테바 스케일에 있을 경우 尤히 그렇다.
• $R_K$에서의 $2.5\sigma$ 이격과 $R_{K^*}$에서의 $2.6\sigma$ 이격은 테바 스케일의 스칼라 및 벡터 렙토쿠아크 해법과 일치하며, 이는 $B-L$ 위반 핵자 붕괴를 통해 검증될 수 있다.
• 최종 바리온 비대칭성은 $n \to e^{-}\pi^{+}$의 부분 수명과 상관관계가 있으며, PLANK 관측 비대칭 비율($Y_B \approx 8.6 \times 10^{-11}$)은 특정 $M_{\nu^c}$ 및 $y_{\nu^cLH}$ 값에서 달성 가능하다.
• 오른쪽 수중성이 렙토쿠아크와 같은 온도에서 탈리스크되며($M_{\nu^c} \sim M_{S_1}$), $B-L$ 비대칭성의 부분 세척이 억제되어 비대칭성이 유지될 수 있다.
• 중성자 질량은 $\nu^c\nu^c\Delta^c$ 항 또는 $B-L$ 위반 정점에 관여하는 1-루프 도형을 통해 생성될 수 있으며, 이 두 경우 모두 핵자 붕괴에 의해 탐지 가능한 $B-L$ 위반 스케일과 연결된다.