[논문 리뷰] Effect of scalar leptoquarks on the lepton flavor violation decays of B meson

Jin-Huan Sheng, Ru-Min Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실험적 브랜칭 비율 한계로부터 제약을 받는 바이어스를 사용하여 스칼라 렙토쿠아크의 영향을 렙톤 플레어 불변성의 희귀 B 메손 붕괴, 특히 $B \to K^{(*)}\ell_i^- au_j^+$ ($i \neq j$)에 대해 조사한다. 스칼라 렙토쿠아크 기여가 이중 렙톤 질량 스펙트럼과 각도 비대칭성과 같은 관측 가능량에 상당한 영향을 미치며, LHCb에서 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 데 특징적인 서명을 제공함을 발견한다.

ABSTRACT

Leptoquarks have been suggested to solve a variety of discrepancies between the expected and observed phenomenon. In this paper, we investigate the effect of scalar leptoquarks on the lepton flavor violating B meson rare decays which involve the quark level transition $\bar{b} o \bar{s} \ell^-_i \ell^+_j(i eq j)$. The leptoquark parameter space is constrained by using the recently measured upper limits on the $\mathcal{B}(B_s^0 o \ell^-_i \ell^+_j)$ and $\mathcal{B}(B o K^{(*)}\ell^-_i \ell^+_j)$. Using such constrained leptoquark parameter space, some relevant physical quantities are also predicted and we find that the constrained New Physics parameters in the leptoquark model have very obvious effects on the relevant physical quantities in this paper. With future measurements of observable in $B o K^{(*)}\ell^-_i \ell^+_j$ decays at the LHCb, more and more differentiated from the other NP explanations could be tested.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 $b \to s\ell_i^-\ell_j^+$ 붕괴를 매개하는 스칼라 렙토쿠아크의 역할을 검토하기 위해.
• 최근 실험적 상한값인 $\mathcal{B}(B_s^0 \to \ell_i^-\ell_j^+)$ 와 $\mathcal{B}(B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+)$ 를 이용해 렙토쿠아크 매개변수 공간을 제약하기 위해.
• 이상적인 관측 가능량, 즉 이중 렙톤 질량 스펙트럼, 렙톤 편광 비대칭성, 전진-후진 비대칭성 등의 효과를 예측하기 위해.

제안 방법

• 표준모형을 초월한 $b \to s\ell_i^-\ell_j^+$ 전이를 모델링하기 위해, $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$ 양자수를 가진 스칼라 렙토쿠아크에 대한 효과적 라그랑지안을 구성한다. 특히 $X=(3,2,7/6)$ 와 $X=(3,2,1/6)$ 를 대상으로 한다.
• 스칼라 렙토쿠아크 교환을 포함한 트리 수준 피카르도 다이어그램을 유도하며, $B \to K$ 와 $B \to K^*$ 붕괴에 대한 헬리시티 진폭을 포함한다.
• 다양한 렙톤 헬리시티 구성 $\lambda_{\ell_i}, \lambda_{\ell_j}$ 에 대해 이중미분 붕괴율 $d^2\Gamma/ds\,d\cos\theta$ 를 계산하며, 강입자 형상 인자 $A_1, A_2, V, A_0$ 를 포함한다.
• 피에르즈 변환과 헬리시티 진폭 형식을 사용하여 붕괴율을 $|G_{LQ}|^2$, $h_{m,n}$, 그리고 강입자 전류 성분으로 표현한다.
• 실험적 상한값인 $\mathcal{B}(B_s^0 \to \ell_i^-\ell_j^+)$ 와 $\mathcal{B}(B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+)$ 를 적용하여 렙토쿠아크 결합의 곱을 제약한다.
• 브랜칭 비율과 각도 관측 가능량에 대한 수치 분석을 수행하며, 렙토쿠아크 기여에 기반한 예측을 표준모형 기대값과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 렙토쿠아크는 $i \neq j$ 조건을 만족하는 $B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 붕괴에서 이중 렙톤 질량 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스칼라 렙토쿠아크 기여는 이러한 붕괴에서 종방향 렙톤 편광 비대칭성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 실험적 제약 조건 하에서 스칼라 렙토쿠아크 교환으로 인해 $B \to K^{*}\ell_i^-\ell_j^+$ 의 전진-후진 비대칭성이 상당히 변화할 수 있는가?
• RQ4 두 가지 스칼라 렙토쿠아크 모델($X=(3,2,7/6)$ 과 $X=(3,2,1/6)$) 간에 $B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 붕괴에 대한 예측은 어떻게 다를까?
• RQ5 미래의 LHCb 측정을 통해 이러한 관측 가능량을 통해 스칼라 렙토쿠아크 기여를 다른 새로운 물리학 모델과 구별할 수 있는 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 제약된 렙토쿠아크 매개변수 공간은 특히 저-$q^2$ 영역에서 이중 렙톤 질량 스펙트럼에 상당한 편차를 유도하며, 새로운 물리학 효과에 대한 높은 민감도를 나타낸다.
• 종방향 렙톤 편광 비대칭성은 스칼라 렙토쿠아크 기여로 인해 측정 가능한 정도로 증가하며, 특히 $B \to K^*\ell_i^-\ell_j^+$ 붕괴 채널에서 두드러진다.
• 전진-후진 비대칭성은 렙토쿠아크 모델과 헬리시티 구성에 따라 다르게 변화하며, 이를 통해 특징적인 서명을 제공해 모델 간의 구별이 가능하다.
• $X=(3,2,7/6)$ 모델은 $X=(3,2,1/6)$ 모델보다 붕괴율에 더 큰 기여를 하며, 특히 $\lambda_{\ell_i} = \lambda_{\ell_j} = \pm 1/2$ 헬리시티 구성에서 두드러진다.
• 제약된 렙토쿠아크 매개변수 하에서 $B \to K^{(*)}\ell_i^-\ell_j^+$ 의 예측 브랜칭 비율은 현재 실험적 상한값 이내에 머물러 있어, 향후 LHCb 런에서 검증 가능하다.
• 본 연구는 향후 고정밀도의 각도 관측 가능량 측정을 통해 스칼라 렙토쿠아크 모델을 다른 새로운 물리학 시나리오와 구별할 수 있음을 보여준다.