[논문 리뷰] Charged Higgs bosons from the 3-3-1 models and the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies

Wei Ma, Yue Chong-Xing|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 3-3-1 모델에서의 초전하 힉스 보손이 B 메손 붕괴에서 관측된 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 이상 현상들을 설명할 수 있는지 조사한다. 여기서 실험 측정치는 표준모형 예측보다 각각 3.3σ와 4σ 높다. 넓은 매개변수 영역—특히 $\tan\beta \lesssim 20$ 및 $m_{H^+} \in [540, 1000]$ GeV일 경우, 3-3-1 모델은 $\mathcal{R}(D^{(*)})$, $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$, $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$, 및 $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$의 이상 현상들을 합리적으로 설명할 수 있으며, 주로 $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴 분율 제약 조건에 의해 결정된다.

ABSTRACT

Several anomalies in the semileptonic B-meson decays such as $\mathcal{R}(D^{(*)})$ have been reported by $BABAR$, Belle, and LHCb collaborations recently. In this paper, we investigate the contributions of the charged Higgs bosons from the 3-3-1 models to the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies. We find that, in a wide range of parameter space, the 3-3-1 models might give reasonable explanations to the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies and other analogous anomalies of the B meson's semileptonic decays.

연구 동기 및 목표

• 3-3-1 모델에서의 초전하 힉스 보손이 B 메손 반완전 붕괴에서 관측된 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 이상 현상들을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• $\mathcal{R}(D^{(*)})$를 넘어서 $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$, $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$, 및 $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$를 포함하여 새로운 물리의 보완적 탐사 수단으로서의 분석을 확장하기 위해.
• 최신 실험 데이터를 활용하여 $B \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$, $B \to X_c\tau\bar{\nu}_\tau$, 및 $B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에 대해 3-3-1 모델의 매개변수 공간을 제약하기 위해.
• 다양한 붕괴 채널에서 표준모형 예측에서의 관측된 편차를 설명할 수 있는 3-3-1 모델의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 연구는 게이지 군 $SU(3)_C \times SU(3)_L \times U(1)_X$를 가진 3-3-1 모델을 사용하며, 전하 전하가 $Q = T_3 + \beta T_8 + X I$로 정의되며, 비정상 전하를 피하기 위해 $\beta = \pm 1/\sqrt{3}$로 설정된다.
• 모델은 물리적 초전하 힉스 보손 $H^\pm$, CP-홀드 $A$, 및 CP-짝성 $H_a$ 스칼라를 포함하며, 이들은 SM 페르미온과 결합하여 반완전 붕괴에서 새로운 기여를 유도한다.
• 이론적 예측은 3-3-1 모델의 효과적 라그랑지안에서 유도된 행렬 요소를 사용하여 $\mathcal{R}(D^{(*)})$, $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$, $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$, 및 $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$에 대해 계산된다.
• 매개변수 공간은 $\tan\beta$ 및 $m_{H^+}$에 대해 스캔되며, BaBar, Belle, 및 LHCb의 $B \to \tau\bar{\nu}_\tau$ 및 관련 붕괴 모드에 대한 실험 평균을 사용하여 제약 조건이 적용된다.
• $\tau$ 탐지의 체계적 불확실성을 줄이기 위해 $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi} = \mathcal{B}(B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau)/\mathcal{B}(B \to \tau\bar{\nu}_\tau)$ 비율을 포함한다.
• 수치적 결과는 실험 상한선 및 표준모형 예측과 비교되어 $\tan\beta$–$m_{H^+}$ 평면에서 타당한 영역을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3-3-1 모델에서의 초전하 힉스 보손은 $B \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 관측된 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 이상 현상들을 설명할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 예측을 초월하는 $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴를 만족하면서도 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 이상 현상들을 설명할 수 있는 $\tan\beta$ 및 $m_{H^+}$의 허용 가능한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ3 3-3-1 모델은 $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$ 및 $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$ 이상 현상들을 어느 정도 설명할 수 있는가? 이들은 $\tau$ 탐지 체계적 오차에 덜 민감하다.
• RQ4 $B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau$ 및 $B \to X_c\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서의 제약 조건은 3-3-1 모델이 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 이상 현상들을 설명하는 데 있어 타당성을 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• $0 < \tan\beta \lesssim 20$ 및 $540\,\text{GeV} \leq m_{H^+} \leq 1000\,\text{GeV}$ 범위에서 3-3-1 모델은 $\mathcal{R}(D^{(*)})$ 이상 현상에 합리적인 설명을 제공할 수 있으며, 이 범위에서 표준모형 예측에서 가장 큰 편차가 발생한다.
• $\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$ 이상 현상에 대해 $\tan\beta$의 허용 범위는 BaBar 기준으로 $27 \sim 145$, Belle 기준으로 $0 \sim 108$이며, 이는 공통된 타당 영역을 나타낸다.
• $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$ 비율은 $\tan\beta$ 및 $m_{H^+}$에 민감하며, 3-3-1 모델은 $0 < \tan\beta \lesssim 20$ 범위에서 $m_{H^+} \in [540, 1000]$ GeV일 때 이상 현상에 설명을 제공할 수 있다.
• $\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$의 경우에도 동일한 $\tan\beta$ 및 $m_{H^+}$ 범위에서 모델은 타당한 설명을 제공하며, 실험 상한선인 2.62는 모델 예측와 일치한다.
• $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$ 붕괴 분율 측정치가 3-3-1 모델의 매개변수 공간에 대해 가장 강력한 제약 조건을 제공하며, 특히 $\tan\beta \lesssim 20$일 경우 더욱 그렇다.
• $D^{(*)}$, $X_c$, 및 $\pi$ 붕괴 모드의 병합 분석은 3-3-1 모델이 초전하 힉스 교환을 통해 다양한 최종 상태에서 관측된 이상 현상들을 일관되게 설명할 수 있음을 확인하며, 이는 뉴 피직스 프레임워크로서의 타당성을 뒷받침한다.