[논문 리뷰] $\bar B o D^{(*)} au \bar u$ and $ au$ polarization in a generic two-Higgs-doublet model

Chuan-Hung Chen, Takaaki Nomura|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일반적인 두 하이즈 듀블렛 모형(2HDM)에서 전하를 띤 힉스 보손이 B 붕괴에서 관측된 $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 이４ anomalies에 미치는 영향을 조사한다. 특히 타우 렙톤의 스핀 분포 및 전방-후방 비대칭성에 초점을 맞춘다. 두 개의 독립적인 유카와 상수를 필요로 하며, 이는 $2\sigma$ 이내에서 브랜칭 비율을 잘 맞추고 이론적 예측을 실험 데이터와 일치시키는 데 필수적이다. 이론적으로는 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 스핀 분포가 $P^\tau_D \approx 0.331$ 및 $P^\tau_{D^*} \approx -0.513$로 예측되며, 이는 표준모형 조건에서의 결과이다. 또한 $D^*$ 붕괴에서의 비대칭성은 전하를 띤 힉스 보손에 매우 민감하며, 부호가 뒤바뀌는 가능성이 있다.

ABSTRACT

We study the influence of a charged-Higgs on the excess of branching fraction ratio, $R_M = BR(\bar B o M au \bar u_ au)/BR(\bar B o M \ell \bar u_\ell)$ $(M=D, D^*)$, in a generic two-Higgs-doublet model. For investigating the lepton polarization, the detailed decay amplitudes with lepton helicity are given. When the charged-Higgs is used to resolve the excesses, it is found that two independent Yukawa couplings are needed to together explain the $R_D$ and $R_{D^*}$ anomalies and simultaneously fit the branching ratios of the decays within $2\sigma$ errors. We find that when all measurements in the $B$ decays are satisfied, the $ au$-lepton polarizations can be significantly affected by the charged-Higgs effects, where the standard model predictions are obtained as: $P^ au_{D} \approx 0.331$ and $P^ au_{D^*}\approx -0.513$. The lepton froward-backward asymmetry (FBA) is also studied. It is found that the asymmetry in the $\bar B o D^* au u_ au$ decay is more sensitive to the charged-Higgs effects, where in addition to the magnitude changed, the sign of the integrated FBA can be also reversed.

연구 동기 및 목표

• B 붕괴에서 관측된 $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 이４ anomalies를 해결하는 데 전하를 띤 힉스 보손이 수행하는 역할을 조사하는 것.
• 전하를 띤 힉스 기여가 $\bar{B} \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤 스핀 분포에 미치는 영향을 분석하는 것.
• $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서의 전방-후방 비대칭성(FBA)과 그 전하를 띤 힉스 효과에 대한 민감도를 연구하는 것.
• 일반적인 두 하이즈 듀블렛 모형(2HDM)이 $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 이４ anomalies와 측정된 브랜칭 비율을 $2\sigma$ 불확도 범위 내에서 동시에 수용할 수 있는지 판단하는 것.

제안 방법

• 타우 렙톤의 스핀 상태를 포함한 $\bar{B} \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴의 전체 진폭을 유도하여 스핀 분포 효과를 분석하는 것.
• fermion과의 상호작용을 기술하기 위해 임의의 유카와 상수를 가진 일반적인 두 하이즈 듀블렛 모형(2HDM)을 사용하는 것.
• 표준모형 기여와 전하를 띤 힉스 기여를 모두 포함하여 브랜칭 비율과 스핀 관측량을 계산하는 것.
• $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 전방-후방 비대칭성(FBA)을 계산하여 뉴 피직스 효과에 대한 민감도를 평가하는 것.
• 이론적 예측인 $R_D$, $R_{D^*}$, $P^\tau_D$, $P^\tau_{D^*}$, FBA를 실험 데이터와 $2\sigma$ 허용 범위 내에서 비교하는 것.
• 비유니폼한 쿼크 및 렙톤에 대한 상호작용을 가능하게 하여 $R_D$ 및 $R_{D^*}$를 동시에 맞출 수 있도록 두 개의 독립적인 유카와 상수 매개변수를 도입하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 두 하이즈 듀블렛 모형(2HDM)에서 전하를 띤 힉스 보손을 가진 경우, $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 이４ anomalies를 동시에 설명하면서 측정된 브랜칭 비율을 $2\sigma$ 이내로 맞출 수 있는가?
• RQ2 표준모형 예측과 비교해 볼 때, 전하를 띤 힉스 기여는 $\bar{B} \to D^{(*)} \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 스핀 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서의 전방-후방 비대칭성(FBA)은 전하를 띤 힉스 효과에 얼마나 민감한가? 그리고 부호가 뒤바뀔 수 있는가?
• RQ4 2HDM에서 $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 데이터와의 일치를 달성하기 위해 필요한 유카와 상수의 구조는 무엇인가?

주요 결과

• 2HDM에서 $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 이４ anomalies를 동시에 설명하고 측정된 브랜칭 비율을 $2\sigma$ 불확도 범위 내에서 맞추기 위해서는 두 개의 독립적인 유카와 상수가 필요하다.
• 표준모형 조건에서 $\bar{B} \to D \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 스핀 분포는 $P^\tau_D \approx 0.331$로 예측되며, 전하를 띤 힉스 기여로 인해 상당한 변화가 발생한다.
• 표준모형 조건에서 $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 타우 렙톤의 스핀 분포는 $P^\tau_{D^*} \approx -0.513$로 예측되며, 이 값은 전하를 띤 힉스 기여로 인해 크게 변화된다.
• $\bar{B} \to D^* \tau \bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서의 전방-후방 비대칭성(FBA)은 전하를 띤 힉스 효과에 매우 민감하며, 통합 FBA의 부호가 뒤바뀔 수 있다.
• $D^*$ 붕괴 채널은 $D$ 채널보다 전하를 띤 힉스 효과에 더 민감하여 뉴 피직스 탐지에 더 유망한 탐사 수단이 된다.
• 이 모형은 전하를 띤 힉스 기여로 인해 $D^*$ 전방-후방 비대칭성의 크기와 부호가 상당히 변화할 수 있음을 예측하며, 뉴 피직스의 특징적인 서명을 제공한다.