[논문 리뷰] Footprints of leptoquarks: from $ R_{K^{(*)}} $ to $ K o \pi u \bar u $

Svjetlana Fajfer, L. Vale Silva외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 55인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $ B $-메손 붕괴에서 관측된 $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상과 동시에 희귀 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴에서 측정 가능한 증가를 예측하는 렙토쿼크 모델을 조사한다. 두 가지 특정 렙토쿼크 시나리오에서의 고리 수준 기여를 분석함으로써, $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 와 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 간의 상관된 신호를 규명하며, 서로 다른 부문에서 렙톤-플라버 유니버설리티 위반을 통합적으로 테스트할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Rare $K o \pi u \bar u$ decays, being dominated by short distance contributions within the Standard Model (SM), open a window for New Physics (NP) searches at low energies. The $ K o \pi u \bar u $ branching ratios are expected to be measured with $ \sim 10\% $ accuracies by NA62/CERN and KOTO/JPARC. The theoretical uncertainties of branching ratios within the SM are well under control. In the $ B $ sector, it is tentative to explain the $ B $-meson anomalies $ R_{D^{(\ast)}} $ and/or $ R_{K^{(\ast)}} $ by effects of physics beyond the SM. Although NP seems to be present in the third fermion generation it might also manifest in the flavor changing neutral current transition $ s o d $. Together with the anticipated good experimental sensitivities and accurate theoretical predictions for $ K o \pi u \bar u $, this motivates studies of correlated effects of NP in rare $ K o \pi u \bar u $ and $ B o K^{(*)} \mu^+ \mu^- $ decays. Here we consider the loop induced effects in $ K o \pi u \bar u $ in two leptoquark models designed to address lepton-flavor universality violation in the $ R_{K^{(\ast)}} $ anomalies.

연구 동기 및 목표

• 레pto쿼크 모델이 $ B $-메손 붕괴에서 관측된 $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상을 설명할 수 있는 동시에, 희귀 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴에서 측정 가능한 영향을 유도할 수 있는지 탐색한다.
• 레pto쿼크 기여를 통해 $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 와 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴 간 이론적 상관관계를 규명한다.
• NA62와 KOTO에서 예상되는 고정밀 측정 결과를 바탕으로 이러한 모델의 타당성을 평가한다.
• 동일한 렙토쿼크 매개체가 $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상에 기여하는 동시에 표준모형 이론 프레임워크 내에서 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 의 편차를 동시에 설명할 수 있는지 검토한다.

제안 방법

• 레pto쿼크 기여에 의해 $ Z' $-유사 쿼크-레프톤 결합을 통해 $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상을 설명하는 두 가지 특정 렙토쿼크 모델—$ S_3 $ 및 $ S_1 $—을 구성한다.
• 이들 모델 내에서 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴의 1차 고리 기여를 계산하며, 주로 렙토쿼크 교환에 의해 지배되는 단거리 효과에 집중한다.
• 효과적 장 이론 기법을 사용하여, 렙토쿼크 고리에서 유래하는 전단극 및 4 Fermi 입자 연산자를 포함한 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 에 대한 관련 하미르토니안을 유도한다.
• NA62와 KOTO에서 예상되는 약 $ 10\% $ 수준의 실험 감도를 고려하여, $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 의 예측 브랜칭 비율을 비교한다.
• 표준모형 예측에서 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 의 이론적 불확실성을 평가하여, 잘 제어되어 있음을 확인한다.
• 레pto쿼크 모델이 $ R_{K^{(*)}} $ 데이터와 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴 제약 조건 양쪽 모두와 일관됨을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레pto쿼크 모델이 $ B $-메손 붕괴에서 관측된 $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상을 설명할 수 있다면, 이들 모델은 희귀 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴에서 관측 가능한 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ2 레pto쿼크 일관성 모델의 맥락에서 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴 브랜칭 비율에 대한 렙토쿼크 기여의 크기는 얼마인가?
• RQ3 NA62와 KOTO에서 예상되는 약 $ 10\% $ 수준의 실험 정밀도를 고려할 때, $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴에서의 예측된 증가율은 호환 가능한가?
• RQ4 동일한 렙토쿼크 매개체가 $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상을 매개하는 동시에 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 와 $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 붕괴에서 상관된 편차를 유도하는가?
• RQ5 표준모형 예측에서 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 의 이론적 불확실성은 뉴트론 물리 신호 감지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상을 설명하는 $ S_3 $ 및 $ S_1 $ 렙토쿼크 모델은 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴의 브랜칭 비율을 상당히 증가시키며, 관측 가능한 수준에 이를 수 있다.
• 이들 모델에서 예측된 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴의 브랜칭 비율은 NA62와 KOTO의 약 $ 10\% $ 수준의 예상 정밀도를 고려할 때 측정 가능하다.
• 표준모형에서 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 의 이론적 불확실성은 잘 제어되어 있어, 이러한 붕괴에서의 NP 신호는 강건하고 명확히 구별 가능하다.
• $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 와 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 붕괴에서 모두 상관된 편차가 예측되어, 동일한 NP 부문을 다중 채널로 테스트할 수 있는 기회를 제공한다.
• 고려된 렙토쿼크 모델은 현재의 제약 조건과 일관되며, $ R_{K^{(*)}} $ 비정상 현상과 희귀 카이온 붕괴를 통합적으로 설명할 수 있다.