[논문 리뷰] Flavor Specific $U(1)_{B_q-L_\mu}$ Gauge Model for Muon $g-2$ and $b o s \bar \mu \mu$ Anomalies

Jianyong Cen, Yu Cheng외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뮤온 $g-2$ 이상현상과 $b \to s\bar\mu\mu$ B 메손 붕괴 이상현상을 동시에 설명하기 위해 맛 특화된 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 게이지 모델을 제안한다. 모델은 뮤온과 결합하는 $Z'$ 보손을 도입하며, 질량 행렬 대각화 이후 혼합을 통해 맛 변화를 일으키는 쿼크 상호작용을 생성하지만, $\tau \to \mu\gamma$, $\tau \to 3\mu$, 중성미자 트라이던트, $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합 데이터로 제약을 받을 경우, $Z'$ 질량이 수백 MeV 이하로 제한될 때 두 이상현상을 동시에 만족시키는 가용한 매개변수 공간이 존재하지 않음을 발견한다.

ABSTRACT

The muon $(g-2)_\mu$ and $b o s \bar \mu \mu$ induced $B$ anomalies as hints of new physics beyond the standard model (SM) have attracted much attention. These two anomalies indicate that there may exist new interaction specifically related to muon. A lot of theoretical ideas have been proposed to explain these anomalies. Gauged flavor specific $U(1)_{B_q-L_\mu}$ is among the promising ones. The new gauge boson $Z'$ from $U(1)_{B_q-L_\mu}$ interacts with muon and provides necessary ingredient to solve the $(g-2)_\mu$ anomaly. The $Z'$-quark coupling can generate flavor changing interactions after diagonalization of quark mass matrix between weak eigen-state and mass eigen-state basis. We revisit challenges for such models attempting to explain the $(g-2)_\mu$ and $B$ anomalies separately or simultaneously. We find although for $U(1)_{B_q-L_\mu}$ models there is still parameter space to provide solutions for separately explaining the $(g-2)_\mu$ and $B$ anomalies, there exists no parameter space for such models to solve both the anomalies simultaneously, after taking into account existing constraints from $ au o \mu \gamma$, $ au o 3 \mu$, neutrino trident and $B_s - \bar B_s$ data. Among them leptonic processes restrict $Z^\prime$ mass to be less than a few hundred MeV if required to solve the $(g-2)_\mu$ anomaly, which causes conflict between data from $B_s - \bar B_s$, $D^0 - \bar D^0$ mixing and also hadron decays with $Z^\prime$ in the final states. The effects of $U(1)_Y$ and $U(1)_{B_q-L_\mu}$ kinetic mixing on these anomalies are also studied. We find that neither can these effects do much to bring the two anomalies together to be solved simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 맛 특화된 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 게이지 모델이 뮤온 $g-2$ 이상현상과 $b \to s\bar\mu\mu$ B 메손 붕괴 이상현상을 동시에 설명할 수 있는지 조사하기.
• 희귀 레프톤 및 메손 붕괴에서의 기존 실험 제약 조건 하에서 그러한 모델의 타당성을 검토하기.
• $U(1)_{B_q - L_\mu}$와 표준모형 $U(1)_Y$ 게이지 군 간의 운동 에너지 혼합이 이상현상 해결에 미치는 영향을 평가하기.
• $Z'$ 보손이 맛 보존 또는 희귀 붕괴 제약을 위반하지 않으면서 $g-2$ 및 $B$ 이상현상 효과를 모두 매개할 수 있는지 결정하기.

제안 방법

• 질량 행렬 대각화 이후 맛 변화를 일으키는 중성미온 상호작용을 생성하기 위해 뮤온과 결합하는 $Z'$와 비자명한 쿼크 전하를 가진 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 게이지 모델을 구축하기.
• μ-뮤온 루프를 통한 $Z'$ 교환에 의한 뮤온 비정상 자기모멘트 $a_\mu$ 기여를 계산하기.
• $Z'$-쿼크 결합을 사용하여 $b \to s\bar\mu\mu$ 붕괴 진폭을 평가하고 분포율 및 각도 관측량을 분석하기.
• $\tau \to \mu\gamma$, $\tau \to 3\mu$, 중성미자 트라이던트 산란, $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합, $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합, $D \to \pi Z'$ 붕괴에 의한 제약 조건 적용하기.
• $U(1)_{B_q - L_\mu}$와 표준모형 $U(1)_Y$ 간의 운동 에너지 혼합을 포함하여 $Z'$ 결합 및 이상현상 해결에 미치는 영향 평가하기.
• 모든 제약 조건 하에서 두 이상현상과의 동시에 가능한지 테스트하기 위해 전반적인 매개변수 공간 스캔 수행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맛 특화된 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 모델이 $g-2$ 이상현상과 $b \to s\bar\mu\mu$ 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\tau \to \mu\gamma$, $\tau \to 3\mu$, 중성미자 트라이던트 산란으로부터 $Z'$ 질량과 결합 상수에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합과 $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합 데이터는 모델의 가용 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ4 $U(1)_{B_q - L_\mu}$와 표준모형 $U(1)_Y$ 간의 운동 에너지 혼합은 두 이상현상을 조율하는 데 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 $Z'$ 보손이 희귀 붕괴 및 혼합 과정의 기존 제약을 위반하지 않으면서 $a_\mu$와 $b \to s\bar\mu\mu$ 과정을 모두 매개할 수 있는 매개변수 공간의 영역이 존재하는가?

주요 결과

• 현재 실험 제약 조건 하에서 모델은 뮤온 $g-2$ 이상현상과 $b \to s\bar\mu\mu$ 이상현상을 동시에 설명할 수 없다.
• $\tau \to \mu\gamma$ 및 $\tau \to 3\mu$ 제약 조건에 따라, $g-2$ 이상현상을 설명하기 위해서는 $Z'$ 질량이 수백 MeV 이하로 제한된다.
• $m_{Z'} \lesssim 300$ MeV일 경우, $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합 및 $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합 데이터는 $g-2$ 이상현상에 요구되는 $Z'$-매개 상호작용과 충돌한다.
• $D \to \pi Z'$와 같은 강한 붕괴는 $Z'$ 결합을 추가로 제약하여 가용 매개변수 공간을 줄인다.
• $U(1)_{B_q - L_\mu}$와 표준모형 $U(1)_Y$ 간의 운동 에너지 혼합은 두 이상현상 간의 긴장감을 크게 완화하지 못한다.
• 희귀 붕괴 및 혼합 과정의 기존 제약을 위반하지 않으면서 $Z'$ 보손이 $g-2$ 및 $b \to s\bar\mu\mu$ 이상현상 모두를 매개할 수 있는 매개변수 공간의 영역은 존재하지 않는다.