[논문 리뷰] Combined explanation of $W$-mass, muon $g-2$, $R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$ anomalies in a singlet-triplet scalar leptoquark model

Arvind Bhaskar, Anirudhan A. Madathil외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 $W$-boson 질량, 뮤온 $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, $R_{D^{(*)}}$ 이상현상들을 동시에 설명하기 위해 스칼라 렙토쿠아크 모델에 싱게트르립렛 쌍($S_1 + S_3$)을 도입한다. 모델은 렙토쿠아크를 혼합시키기 위해 힉스 포털을 사용하며, 몇 가지 새로운 결합만 필요로 하며, LHC에서 검증 가능한 테르아스케일 질량을 예측한다. 현재 LHC 데이터로부터 약 1.5 TeV의 하한선이 존재하고, 다항성 조건을 만족할 경우 약 8 TeV의 상한선이 존재한다.

ABSTRACT

In addition to the long-standing anomalies seen in the muon $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, and $R_{D^{(*)}}$ observables by various independent experiments, the CDF Collaboration has found another significant one in the $W$-boson mass. These anomalies might be intertwined at a fundamental level and have a single new-physics explanation. In this paper, we present a simultaneous solution to these anomalies with two scalar leptoquarks of roughly equal mass -- one weak-singlet $S_1$ and the other a weak-triplet $S_3$ -- which mix through a Higgs portal. The solution has only a few new couplings and TeV-scale leptoquarks, making the solution testable at the LHC. We put a lower and upper bound on the leptoquark masses in this setup from the current LHC data and the assumption that all new couplings are within the perturbative limit.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, $R_{D^{(*))}}$ 붕괴에서 오랫동안 지속된 이상현상과 최근 CDF의 $W$-boson 질량 측정치를 다루기.
• 모든 네 가지 이상현상에 대해 단일이고 최소한의 새로운 물리 이론 프레임워크 내에서 통합적인 설명을 제공하기.
• 직접적 및 간접적 실험 제약 조건을 사용하여 렙토쿠아크 질량과 결합 상수를 제약함으로써 LHC에서 검증 가능한 모델을 확보하기.
• 새로운 결합과 자유도의 수를 최소화함으로써 다항성과 미세조정을 피하기.

제안 방법

• 이상현상을 매개하기 위해 전하수 $1/3$인 약한 싱게트르립렛 스칼라 렙토쿠아크 $S_1$와 약한 트립렛 $S_3$를 도입한다.
• 레프토쿠아크를 혼합시키기 위해 힉스 포털 상호작용을 구현함으로써 다수의 관측량에 공통 기여를 가능하게 한다.
• 효과적인 필드 이론과 파인먼 다이어그램을 통해 $S_1$과 $S_3$의 요카다 결합을 맛 분석 가설에 기반해 연결한다.
• 저에너지 데이터 및 LHC의 직접/간접 제약 조건에 의해 제약된 요카다 결합 상수와 렙토쿠아크 질량에 대한 전반적 매개변수 스캔을 수행한다.
• 직접적 제약 조건으로서 $S_3^{4/3} \to b\bar{\nu}\nu$, $\tau\tau$, $\tau\bar{\nu}$ 최종 상태와 간접적 제약 조건으로서 $B$-메손 붕괴 및 $W$-boson 질량을 고려한다.
• 고 $p_T$ 이중 렙톤 및 단일 제트 데이터를 사용하여 $S_3^{4/3}$의 붕괴 비율을 제약하고 질량 한계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 스칼라 렙토쿠아크 모델에서 $S_1 + S_3$의 구조가 $W$-boson 질량, 뮤온 $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, $R_{D^{(*)}}$ 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 모든 현재 실험 제약 조건을 만족하는 렙토쿠아크의 타당한 질량 및 결합 범위는 무엇인가?
• RQ3 LHC의 직접 및 간접 탐색 결과는 $S_1 + S_3$ 모델의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 모든 결합 상수가 다항성을 유지하고 추가적인 새로운 상호작용이 없을 경우 렙토쿠아크 질량의 상한선은 무엇인가?
• RQ5 이 모델은 LHC에서 검증 가능할 수 있으며, $c\tau$, $t\bar{\nu}$, 또는 $t\bar{\tau}$와 같은 이국적 신호를 통해 발견 가능할까?

주요 결과

• 모델은 $W$-boson 질량, 뮤온 $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, $R_{D^{(*)}}$ 이상현상 모두를 단일이고 최소한의 새로운 결합 집합으로 성공적으로 설명한다.
• 현재 LHC 데이터는 $S_3^{4/3} \to b\bar{\nu}\nu$ 및 $\tau\tau$ 최종 상태에 기인하여 렙토쿠아크 질량 척도에 약 1.5 TeV의 하한선을 부과한다.
• 다항성 조건을 만족하고 추가 상호작용이 없을 경우 약 8 TeV의 렙토쿠아크 질량 상한선이 도출된다.
• $|y^{L}_{32}|$와 $|y^{L}_{22}|$가 동시에 크기가 될 수 없기 때문에, $\bar{B} \to K^{(*)}\tau^+\tau^-$ 전반적 피팅 및 LHC의 직접 제약 조건으로 인해 매개변수 공간이 심각하게 제약된다.
• $c\tau$, $t\bar{\nu}$, $t\bar{\tau}$ 생성과 같은 이국적 LHC 신호가 예측되며, 향후 탐색을 위한 유망한 발견 채널을 제공한다.
• 뮤온 $g-2$ 이상현상의 크기가 라티스 QCD 입력을 통해 1.6σ로 감소하더라도 모델은 그대로 유효하며, 배제된 영역은 이미 LHC 제약 조건에 의해 제거되어 있다.