[논문 리뷰] $b o s\ell^+\ell^-$ Transitions in Two-Higgs-Doublet Models

Andreas Crivellin, Dario Müller외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 77인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일반적인 양자수축 상수와 오른쪽 수붕을 포함한 두 힉스 듀블릿 모형(2HDMs)에서 $b \to s\ell^+\ell^-$ 전이를 연구하며, 효과적 해밀토니안으로의 1-루프 매칭을 수행한다. 오른쪽 수붕을 포함함으로써 $b \to s\mu^+\mu^-$ 이상현상과 뮤온의 비정상 자기모멘트 $a_\mu$를 일관되게 설명할 수 있으나, 작은 힉스 혼합으로 인해 $h \to \tau\mu$ 붕괴로부터 엄격한 제약이 발생하여 가용한 매개변수 공간이 제한된다.

ABSTRACT

In this article we study $b o sμ^+μ^-$ transitions and possible correlations with the anomalous magnetic moment of the muon ($a_μ$) within two-Higgs-doublet models with generic Yukawa couplings, including the possibility of right-handed neutrinos. We perform the matching on the relevant effective Hamiltonian and calculate the leading one-loop effects for $b o s\ell\ell^{(\prime)}$, $b o sγ$, $ΔB=ΔS=2$, $b o sν\barν$ and $\ell o\ell^\primeγ$ transitions in a general $R_ξ$ gauge. Concerning the phenomenology, we find that an explanation of the hints for new physics in $b o sμ^+μ^-$ data is possible once right-handed neutrinos are included. If lepton flavour violating couplings are allowed, one can account for the discrepancy in $a_μ$ as well. However, only a small portion of parameter space gives a good fit to $b o sμ^+μ^-$ data and the current bound on $h oτμ$ requires the mixing between the neutral Higgses to be very small if one aims at an explanation of $a_μ$.

연구 동기 및 목표

• LHCb 데이터에서 관측된 $b \to s\mu^+\mu^-$ 이상현상과 오랫동안 지속된 뮤온의 비정상 자기모멘트 $a_\mu$ 간극을 동시에 설명할 수 있는가를 탐색하기 위해, 일반적인 양자수축 상수와 오른쪽 수붕을 포함한 두 힉스 듀블릿 모형(2HDM)의 가능성 여부를 조사한다.
• 일반적인 $R_\xi$ 게이지에서 $b\to s\ell^+\ell^-$, $b\to s\gamma$, $\Delta B=\Delta S=2$, $b\to s\nu\bar{\nu}$, $\ell\to\ell'\gamma$ 전이에 대해 효과적 해밀토니안으로의 완전한 1-루프 매칭을 수행한다.
• 만약 $a_\mu$를 설명하고자 한다면, 중성 힉스 혼합에 대한 강력한 제약이 존재하므로, $h \to \tau\mu$ 붕괴로부터의 제약 조건이 모델의 타당성을 평가하는 데 기여한다.
• 벡터 연산자(예: $O_9$)가 필요로 하는 $b\to s\ell^+\ell^-$ 이상현상을 설명하기 위해, 다른 저에너지 정밀 관측량을 위반하지 않으면서 2HDM에서 루프 효과를 통해 이러한 벡터 연산자를 생성할 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• 일반적인 $R_\xi$ 게이지에서 일반적인 양자수축 상수와 오른쪽 수붕을 포함한 2HDM을 $b\to s\ell^+\ell^-$, $b\to s\gamma$, $\Delta B=\Delta S=2$, $b\to s\nu\bar{\nu}$, $\ell\to\ell'\gamma$ 전이에 대한 효과적 해밀토니안으로 1-루프 매칭한다.
• 게이지 불변성과 루프 계산에서의 일관성을 확보하기 위해 일반적인 $R_\xi$ 게이지를 사용하며, 특히 힉스 및 게이지 보손의 자기에너지에 대해 유리하다.
• 전자기적 힉스, 중성 힉스, 오른쪽 수붕을 포함한 주요 1-루프 기여를 계산하며, 효과적 해밀토니안에 스칼라 및 벡터 연산자를 포함한다.
• 복소 양자수축 상수를 가진 $b\to s\ell^+\ell^-$ 전이의 진폭을 체계적으로 평가하기 위해 $f_i(b)$, $I_j(a,b)$, $I_{11}(a,b,c)$와 같은 루프 함수를 포함한다.
• $h \to \tau\mu$ 붕괴로부터의 제약 조건을 적용하여, 중성 힉스 상태 간의 혼합이 매우 작아야 현재 LHC의 제약 조건과 일치함을 보장한다.
• $b\to s\mu^+\mu^-$ 데이터와 $a_\mu$에 대한 전역 피팅을 수행하며, 모든 관련 실험적 및 이론적 제약 조건 하에서 허용 가능한 매개변수 공간을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 양자수축 상수와 오른쪽 수붕을 포함한 2HDM이 LHCb 데이터에서 관측된 $b\to s\mu^+\mu^-$ 이상현상과 오랫동안 지속된 뮤온의 비정상 자기모멘트 $a_\mu$ 간극을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 연산자만으로는 부족하므로, $b\to s\ell^+\ell^-$ 데이터를 설명하기 위해 필요한 벡터 연산자(예: $O_9$)를 생성하는 데 오른쪽 수붕이 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 만약 $a_\mu$를 설명하고자 한다면, $h \to \tau\mu$ 붕괴로부터의 제약 조건이 가용한 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ4 이 설정에서 루프 유도 과정인 $b\to s\gamma$, $b\to s\nu\bar{\nu}$, $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합이 표준모형 예측과 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 히iggs 혼합 각도가 동일한 2HDM 프레임워크 내에서 $b\to s\mu^+\mu^-$ 및 $a_\mu$를 설명하는 데 있어 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 일반적인 양자수축 상수를 가진 2HDM에서 오직 오른쪽 수붕이 포함된 경우에만 $b\to s\mu^+\mu^-$ 이상현상을 설명할 수 있으며, 이는 루프 효과를 통해 필요한 벡터 연산자를 생성할 수 있기 때문이다.
• 오른쪽 수붕 부문에 렙톤-플레버 위반 상호작용을 포함함으로써, $a_\mu$ 간극을 동시에 설명할 수 있으며, 이러한 상호작용이 없는 모델에서는 이와 같은 설명이 불가능하다.
• 매우 작은 중성 힉스 상태 간 혼합을 가진 매개변수 공간의 일부만이 $b\to s\mu^+\mu^-$ 데이터와 $h \to \tau\mu$ 붕괴 제약 조건을 동시에 만족시킬 수 있다.
• $h \to \tau\mu$ 붕괴 분포율은 CP-짝성과 CP-비대칭 힉스 상태 간 혼합 각도에 대해 강력한 상한을 제시하며, $a_\mu$를 설명하고자 한다면 이는 매개변수 공간을 심각하게 제한한다.
• 관련 윌슨 계수를 적절히 조정하면 $b\to s\gamma$ 및 $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합이 표준모형 예측과 일관성을 유지할 수 있으나, 이러한 과정들은 매개변수 공간을 제약한다.
• 효과적 해밀토니안 접근법과 함께 루프 함수 $I_j(a,b)$ 및 $f_i(b)$를 포함함으로써, 다수의 힉스 상태와 오른쪽 수붕이 존재하는 조건에서 $b\to s\ell^+\ell^-$ 전이의 전체 1-루프 동역학을 성공적으로 기술할 수 있다.