[논문 리뷰] Challenges for New Physics in the Flavour Sector

Andreas Crivellin|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 191인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 뉘앙스 섹터에서 새로운 물리학(NP)을 통합하는 데 직면한 과제를 다루며, $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 및 타우온성 $B$ 붕괴에서의 편차를 희귀 붕괴와 $\Delta F=2$ 과정에서의 엄격한 제약 조건과 조율하는 모델에 초점을 맞춘다. 이는 2HDM을 탈착한 극한에서 분석하며, 일반적인 풍미 구조는 종종 갈등을 야기하지만, $Z'$나 스칼라 상호작용을 포함한 특정 쿠플링을 가진 모델은 풍미 제약 조건을 위반하지 않고 이상 현상을 설명할 수 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

In these proceedings I present a personal perspective of the challenges for new physics (NP) searches in the flavour sector. Since the CKM mechanism of flavour violation has been established to a very high precision, we know that physics beyond the Standard Model can only contribute sub-dominantly. Therefore, any realistic model of physics beyond the Standard Model (SM) must respect the stringent constrains from flavour observables like $b o s γ$, $B_s oμ^+μ^-$, $ΔF=2$ processes etc., in a first step. In a second step, it is interesting to ask the question if some deviations from the SM predictions (like the anomalous magnetic moment of the muon or recently observed discrepancies in tauonic $B$ decays or $B o K^*μ^+μ^-$) can be explained by a model of NP without violating bounds from other observables.

연구 동기 및 목표

• 관측된 표준모형(SM) 예측과의 편차를 설명할 수 있는 풍미 섹터의 새로운 물리학 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 반사 붕괴($b \to s\gamma$) 및 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 붕괴에서 비롯된 $\Delta F=2$ 과정, 방사 붕괴, 풍미 제약 조건이 타당한 NP 모델의 범위를 어떻게 제한하는지 분석하기 위해.
• 특정 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 및 타우온성 $B$ 붕괴에서의 이상 현상을 설명할 수 있는 모델이 동시에 모든 존재하는 풍미 관측치를 만족할 수 있는지 조사하기 위해.
• 비홀로모르피크 쿠플링 및 $Z'$-매개 상호작용과 같은 풍미 구조가 이상 현상과 제약 조건 사이의 균형을 어떻게 유지하는지 평가하기 위해.
• 관측된 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 및 $R_K$ 측정치 간의 갈등이 최소 풍미 위반에 의해 설명될 수 있는지, 아니면 더 복잡한 NP 구조가 필요한지 결정하기 위해.

제안 방법

• 기준 모델로 탈착한 극한에서의 2HDM을 사용하며, 비홀로모르피크 풍미 변화 중성미가수(FCNC)를 허용하는 일반적인 요카다 쿠플링을 포함한다.
• 효과적 장 이론 기법을 적용하여 저에너지 라그랑지안을 유도하며, 풍미 위반 쿠플링을 위한 $H_u^1$, $H_d^2$, $\epsilon^{q}_{ij}$ 매개변수를 포함한다.
• NP 매개변수를 제약하기 위해 $B_{s,d} \to \mu^{+}\mu^{-}$, $b \to s\gamma$, $K^0$-$\overline{K}^0$ 혼합, $\mu \to e\gamma$를 포함한 풍미 관측치에 대한 글로벌 피팅을 수행한다.
• $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 붕괴의 각도 분포와 $R_K$ 비율을 분석하여 SM 예측과의 편차를 확인한다.
• LHCb, BaBar, CDF의 실험 데이터와 모델 예측을 비교하며, $q^2$-의존성 관측치와 형상인자에 의존하지 않는 측정치에 중점을 둔다.
• $Z'$ 보손 및 스칼라 매개 NP 모델이 이상 현상을 설명하면서도 $\Delta F=2$ 및 렙톤 풍미 위반 제약 조건을 충족할 수 있는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 요카다 쿠플링을 가진 2HDM이 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$나 $b \to s\gamma$ 제약 조건을 위반하지 않고 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\mu \to e\gamma$ 및 $K_L \to \mu^+\mu^-$ 제약 조건이 비홀로모르피크 쿠플링을 가진 2HDM 모델의 매개변수 공간을 어느 정도 제한하는가?
• RQ3 $Z'$ 보손 또는 스칼라 매개 NP가 $R_K$ 이상 현상과 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 데이터를 설명하면서도 $\Delta F=2$ 및 $\ell_i \to \ell_f \gamma$ 제약 조건을 충족할 수 있는가?
• RQ4 2HDM 라그랑지안의 $\epsilon^{q}_{ij}$ 매개변수가 NP 모델이 글로벌 풍미 피팅과의 호환성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 비최소 풍미 구조, 예를 들어 2HDM에서의 비홀로모르피크 쿠플링이 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 데이터와 SM 예측 간의 갈등에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 일반적인 요카다 쿠플링을 가진 2HDM은 $\Delta F=2$ 과정과 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$에서 강력한 제약을 받으며, 대부분의 경우 NP 기여가 10% 이하로 제한된다.
• 특정 3세대 페르미온에 주로 쿠플링하는 $Z'$ 보손을 통한 상호작용은 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 이상 현상과 $R_K$ 편차를 설명하면서도 $B_{s} \to \mu^{+}\mu^{-}$ 및 $\mu \to e\gamma$ 제약 조건을 충족할 수 있다.
• 특히 $b \to s\mu\mu$에 대해 $Z'$ 유사 쿠플링을 가진 스칼라 매개 NP 모델은 $\Delta F=2$ 제약 조건을 위반하지 않으면서도 $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 각도 분포 이상 현상을 설명할 수 있다.
• $R_K$ 이상 현상—$R_K = \text{Br}(B \to K \mu^+\mu^-)/\text{Br}(B \to K e^+e^-)$로 측정—은 SM 예측에서 2.5–3σ 편차를 보이며, 렙톤 풍미 비균일성의 가능성을 시사한다.
• $B \to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 각도 분포는 저-$q^2$ 영역에서 SM 예측과 상당한 편차를 보이며, 특히 SM QCD 보정으로 설명되지 않는 $P_5'$ 관측치에서 두드러진다.
• 비최소 풍미 구조, 예를 들어 2HDM에서의 비홀로모르피크 쿠플링은 종종 $\mu \to e\gamma$ 및 $K_L \to \mu^+\mu^-$와의 갈등을 야기하며, 타당성을 유지하기 위해 정밀 조정 또는 추가 대칭이 필요로 한다.