[논문 리뷰] Delta I=1/2 Rule, epsilon'/epsilon and K -> pi nu nubar in Z'(Z) and G' Models with FCNC Quark Couplings

Andrzej J. Buras, Fulvia De Fazio외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 59인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 K→ππ 붕괴에서 ∆I = 1/2 규칙에 대한 예측에 오랫동안 지속된 부족분을 설명하기 위해, 왼쪽손잡이 FCNC 결합을 가진 무거운, 색깔이 없는 Z′ 게이지 보손을 제안한다. 수준에서의 FCNC를 통해 QCD 펜큐에이터 Q6를 강화하면서 ReA2에 대한 새로운 물리(NP) 기여를 작게 유지함으로써, MZ′ ≈ 3–4 TeV일 때 ReA0의 부족한 30%를 설명할 수 있으며, 동시에 εK, ε′/ε, ∆MK 및 LHC 데이터의 제약 조건을 모두 만족시킨다.

ABSTRACT

The experimental value for the isospin amplitude Re(A_2) in K->pi pi decays has been successfully explained within the Standard Model, both within large N approach to QCD and by QCD lattice calculations. On the other hand in both approaches the theoretical values of Re(A_0) are by at least 30% below the data so that the Delta I=1/2 rule in K->pi pi decays is not fully explained. While this deficit could be the result of present theoretical uncertainties in both approaches, it cannot be excluded that the missing piece in Re(A_0) comes from New Physics. We demonstrate that this deficit can be significantly softened by tree-level FCNC transitions mediated by a heavy colourless Z' gauge boson with particularly chosen flavour violating couplings assuring negligible NP contributions to Re(A_2) and significantly enhancing the contribution of the leading QCD penguin operator Q_6 to Re(A_0). A large fraction of the missing piece in the Delta I=1/2 rule can be explained in this manner for M_{Z'} in the reach of the LHC, while satisfying constraints from epsilon_K, epsilon'/epsilon, Delta M_K, LEP-II and the LHC. We identify quartic correlation between Z' contributions to Re(A_0), epsilon'/epsilon, epsilon_K and Delta M_K. We present correlations between epsilon'/epsilon and rare decays K->pi nu bar{nu} with and without the Delta I=1/2 rule constraint and generalize the whole analysis to Z' with colour (G') and Z with FCNC couplings. In the latter case no improvement on Re(A_0) can be achieved without destroying the agreement of the SM with the data on Re(A_2). Moreover, this scenario is very tightly constrained by epsilon'/epsilon. On the other hand in the context of the Delta I=1/2 rule G' is even more effective than Z': it provides the missing piece in Re(A_0) for M_{G'}=(3.5-4.0) TeV.

연구 동기 및 목표

• K→ππ 붕괴에서 ReA0에 대한 표준모형의 예측이 실험값보다 약 30% 낮은 지속적인 이론적 부족분을 해결하기 위해.
• 무거운 Z′ 또는 G′ 보손을 통한 수준에서의 FCNC를 통한 새로운 물리가 ∆I = 1/2 진폭의 부족한 강도를 설명할 수 있는지 탐색하기 위해.
• NP 기여가 ReA2와 εK에 영향을 주지 않도록 보장하여 간접 CP 위반과의 충돌을 피하기 위해.
• ε′/ε, K→πνν̄, ∆MK의 제약 조건을 동시에 충족시키는 Z′ 및 G′ 모델의 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 색이 없는 Z′ 및 색이 있는 G′ 모델 모두에 대해 분석을 일반화하여, ∆I = 1/2 규칙를 해결하는 데 있어 두 모델의 타당성을 비교하기 위해.

제안 방법

• GIM가 수준에서 깨지는, 풍미 위반 왼쪽손잡이 결합 ∆sdL(Z′)과 약간의 균일한 오른쪽손잡이 결합 ∆qqR(Z′)를 가진 Z′ 모델을 제안한다.
• 효과적 해밀토니안을 Z′ 스케일에서 QCD 스케일로 레이놀즈 군 분석을 통해 진화시킨다.
• 특히 수준에서의 FCNC에 의해 강화된 QCD 펜큐에이터 Q6를 통해 ReA0 및 ReA2에 대한 기여를 계산한다.
• εK, ∆MK, ε′/ε 및 희귀 케이온 붕괴(예: K+→π+νν̄, KL→π0νν̄)의 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제한한다.
• 다양한 Z′ 결합과 질량 스케일을 가진 여러 시나리오(A, B, 프림드)에 대한 수치 분석을 수행한다.
• 색 전하를 가진 G′ 모델로 결과를 일반화하여, MG′ ≈ 3.5–4.0 TeV일 때 ReA0 해결에 있어 더 뛰어난 효과를 보임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 Z′ 보손을 통한 수준에서의 FCNC가 ReA0의 부족한 30%를 ReA2 또는 εK와의 일치를 해치지 않도록 설명할 수 있는가?
• RQ2 ε′/ε, ∆MK 및 LHC 탐색 제약 조건을 충족시키는 Z′ 결합의 타당한 매개변수 영역는 무엇인가?
• RQ3 작은 오른쪽손잡이 ∆sdR(Z′) 결합이 ∆MK 및 ReA0와의 일치성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 색 전하를 가진 G′ 모델이 Z′ 모델보다 ∆I = 1/2 규칙 해결에 더 효과적인가?
• RQ5 Z′가 ReA0, ε′/ε, εK 및 ∆MK에 기여하는 상관관계는 무엇이며, 이를 어떻게 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• MZ′ ≈ 3–4 TeV이고 ∆sdL(Z′) ≫ ∆sdR(Z′)인 Z′는 ReA0의 부족한 30%를 설명할 수 있으며, 동시에 NP 기여가 ReA2에 거의 영향을 주지 않는다.
• 오른쪽손잡이 결합이 작고 정밀 조정되어 있다면, εK, ∆MK 및 LHC 디제트 검색 제약 조건을 모두 충족시킨다.
• Z′가 ReA0와 ε′/ε에 기여하는 상관관계는 강력하며, 이를 검증하기 위해 |Vub|, |Vcb| 및 ⟨Q6⟩0의 정밀 측정이 필요하다.
• G′ 모델은 Z′ 모델보다 더 효과적이다: MG′ ≈ 3.5–4.0 TeV일 때 ReA0의 부족분을 완전히 해결할 수 있다.
• FCNC를 가진 Z 보손은 ReA2와의 표준모형의 일치를 해치지 않도록 하기 위해 ReA0를 향상시킬 수 없으며, ε′/ε에 의해 엄격히 제약을 받는다.
• 모델은 ε′/ε, K+→π+νν̄ 및 KL→π0νν̄ 간의 상관관계를 예측하며, 향후 정밀 측정과 개선된 표준모형 입력을 통해 검증 가능하다.