[논문 리뷰] Flavor Physics Constraints on TeV Scale Color Sextet Scalars

Elaine C. F. S. Fortes, K. S. Babu외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 왼쪽-오른쪽 대칭성의 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times SU(4)_C$ 모델에서 테바 스케일의 색성합색 스칼라에 의해 매개되는 맛이 변화하는 중성미온(Current, FCNC) 효과를 분석한다. 메손 혼합과 붕괴에 대한 고차원 및 1-루프 기여를 사용하여, $\Delta_{uu}$, $\Delta_{ud}$, $\Delta_{dd}$의 요카다 쌍대의 엄격한 제약 조건을 유도하며, 커플링 크기가 약 $10^{-2}$일 경우 현재 실험 데이터와 일치하기 위해 성합색 스칼라의 질량이 몇 테바 초과해야 함을 보여준다.

ABSTRACT

In this work we present an analysis of flavor violating effects mediated by color sextet scalars, which arise naturally in left-right symmetric gauge theories based on SU(2)_L imes SU(2)_R imes SU(4)_C group. The sextets, denoted here by Δ_{dd}, Delta_{ud} and Δ_{uu}, couple to right--handed quarks. We delineate the constraints on these couplings arising from meson--anti-meson transitions and flavor changing weak decays. The sextet Δ_{uu} mediates D^{0}-\bar{D}^{0} mixing via tree-level and box diagrams, and also mediates D --> K pi, pi pi decays. The sextets Δ_{ud} and Δ_{dd} mediate B_{d}^{0}-\bar{B}_{d}^{0}, B_{s}^{0}-\bar{B}_{s}^{0} and K^{0}-\bar{K}^{0} mixings as well as rare B and D meson decays. Our analysis shows that for coupling strengths of order 10^{-2}, the current experimental data requires the mass of these color sextets to exceed several TeV. These bounds are stronger than those obtained from direct LHC searches.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 맛 위반 과정을 통해 오른쪽 쿼크에 대한 테바 스케일의 색성합색 스칼라($\Delta_{uu}$, $\Delta_{ud}$, $\Delta_{dd}$)의 요카다 커플링을 제약하는 것.
• 이 성합색 스칼라가 후-스팔레론 비대칭성 생성 및 중성미온 질량 생성 모델에서 타당한지 평가하는 것. 이 경우 커플링과 질량이 핵심적인 역할을 한다.
• 메손 혼합과 희귀 붕괴에서 유도된 제약 조건이 직접 LHC 탐색 결과에 비해 어느 정도 강력한지 비교하여 맛 물리학이 제약 조건을 주로 결정한다는 점을 강조하는 것.
• B 및 D 메손 붕괴, $K^0$-$\overline{K}^0$, $B_d^0$-$\overline{B}_d^0$, $B_s^0$-$\overline{B}_s^0$, $D^0$-$\overline{D}^0$ 전이에 대한 실험 데이터를 사용하여 커플링 행렬의 곱에 대한 정량적 한계를 제공하는 것.
• FCNC 제약 조건과 기초 수준의 빈도수 보존 위반, 특히 중성자-반중성자 진동 제약 조건과의 상호작용을 평가하는 것.

제안 방법

• 색성합색 스칼라 $\Delta_{uu}$, $\Delta_{ud}$, $\Delta_{dd}$의 요카다 커플링을 위한 효과적 라그랑지안을 구성: $\mathcal{L}_{\Delta} = -\frac{f_{ij}}{2}(d_R^T C d_R)\Delta_{dd} - \frac{h_{ij}}{2}(u_R^T C u_R)\Delta_{uu} - \frac{g_{ij}}{2\sqrt{2}}(u_R^T C d_R + d_R^T C u_R)\Delta_{ud} + \text{h.c.}$
• 메손 혼합에 대한 트리 수준 및 1-루프(박스) 기여를 계산하여 $\Delta F = 2$ 과정, 즉 $D^0$-$\overline{D}^0$, $B_d^0$-$\overline{B}_d^0$, $B_s^0$-$\overline{B}_s^0$, $K^0$-$\overline{K}^0$ 혼합를 포함한다.
• QCD 인과성 방법을 사용하여 비레프톤 붕괴, 예를 들어 $B \to \pi\pi$, $B \to \phi\pi$, $D \to K\pi$, $D \to \pi\pi$ 를 평가한다.
• B 및 D 메손 붕괴와 혼합 파rameter에서의 실험적 제약 조건을 적용하여 커플링 행렬의 곱($f_{ij}f_{kl}^*$, $g_{ij}g_{kl}^*$, $h_{ij}h_{kl}^*$)에 대한 제약 조건을 도출한다.
• 유도된 커플링 제약 조건을 $ (M_{\Delta}/\text{TeV})^2 $로 스케일링하여 질량에 따라 달라지는 제약 조건으로 표현한다.
• 맛 제약 조건의 강도를 직접 LHC 탐색 결과와 비교하여 맛 물리학이 더 강력한 제약 조건을 제공한다는 결론을 이끌어낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지 맛 위반 과정을 통해 테바 스케일의 색성합색 스칼라($\Delta_{uu}$, $\Delta_{ud}$, $\Delta_{dd}$)의 오른쪽 쿼크에 대한 요카다 커플링에 대한 가장 강력한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 메손 혼합과 희귀 붕괴에 대한 트리 수준 및 1-루프 기여는 성합색 스칼라 커플링을 제약하는 데 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 후-스팔레론 비대칭성 생성에 필요한 커플링 강도는 현재 FCNC 과정에서의 실험적 제약 조건과 일치할 수 있는가?
• RQ4 B 및 D 메손 붕괴와 혼합에서 유도된 제약 조건은 이 색성합색 스칼라에 대해 직접 LHC 탐색 결과보다 더 강력한가?
• RQ5 $B \to \pi\pi$ 및 $B_s \to \pi\pi$ 붕괴에서 표준모형과 새로운 물리의 진폭 간 간섭의 영향은 어떤가?

주요 결과

• 요카다 커플링 강도가 약 $10^{-2}$ 수준일 경우, 현재 메손 혼합 및 붕괴 실험 데이터는 색성합색 스칼라의 질량이 몇 테바 초과해야 함을 요구한다.
• B-메손 붕괴와 $B_d^0$-$\overline{B}_d^0$ 혼합에서 유도된 제약 조건은 D-메손 붕괴와 $D^0$-$\overline{D}^0$ 혼합에서의 제약 조건보다 더 엄격하다.
• $\overline{B}_d^0 \to \pi^0\pi^0$에서 유도된 커플링 곱 $|f_{13}f_{11}^*|$는 $0.444$ 이하로 제약되며, $\overline{B}_d^0 \to \phi\pi^0$에서 $|f_{23}f_{12}^*|$는 $0.035$ 이하로 제약되어 특정 맛 변화 전이의 강한 억제를 나타낸다.
• $\Delta_{ud}$의 경우, $\overline{B}_d^0 \to \pi^-\pi^+$에서 $|(g_{13}+g_{31})g_{11}^*|$는 $1.456$ 이하로 제약되며, $\overline{B}_s^0 \to K^-K^+$에서 $|(g_{13}+g_{31})(g_{12}^*+g_{21}^*)|$는 $7.097$ 이하로 제약된다.
• $\Delta_{uu}$의 경우, $D^0 \to \pi^0\pi^0$에서 커플링 곱 $|h_{12}h_{11}^*|$는 $28.054$ 이하로 제약되며, $D^+ \to \pi^+\pi^0$에서 $47.849$ 이하로 제약되어 $D^0$ 붕괴 진폭의 상당한 억제를 나타낸다.
• 유도된 커플링 제약 조건은 $ (M_{\Delta}/\text{TeV})^{-2} $ 의 스케일링을 따른다. 이는 $M_{\Delta} \sim 1$ 테바일 경우, 표 2 및 3에 나열된 값 이하의 커플링 곱이 데이터와 일치하기 위해 필요하다는 것을 의미한다.