[논문 리뷰] Generic Loop Effects of New Scalars and Fermions in $b o s\ell^+\ell^-$, $(g-2)_\mu$ and a Vector-like $4^{ m th}$ Generation

Pere Arnan, Andreas Crivellin외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 69인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 새로운 스칼라 및 페르미온의 루프 효과를 통해 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 이상 현상에 대한 일반적인 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 오른쪽 편향된 표준모형 페르미온과의 결합을 포함한다. 이론은 우주론적 완전성(UV-complete) 모델로서 벡터-유사한 네 번째 쿼크 세대와 실수 스칼라 필드를 포함하며, $B_s$ 혼합 및 LHC 탐색 결과로부터의 제약 조건을 만족하면서도 두 이상 현상 모두를 동시에 잘 맞춘다. 전반적인 피팅 결과는 오른쪽 편향된 결합이 선호됨을 보여준다.

ABSTRACT

In this article we investigate in detail the possibility of accounting for the $b o s\ell^+\ell^-$ and $(g-2)_\mu$ anomalies via loop contributions involving with new scalars and fermions. For this purpose, we first write down the most general Lagrangian which can generate the desired effects and then calculate the generic expressions for all relevant $b o s$ Wilson coefficients. Here we extend previous analysis by allowing that the new particles can also couple to right-handed Standard Model (SM) fermions as preferred by recent $b o s\ell^+\ell^-$ data and the anomalous magnetic moment of the muon. In the second part of this article we illustrate this generic approach for a UV complete model in which we supplement the Standard Model by a $4^{ m th}$ generation of vector-like fermions and a real scalar field. This model allows one to coherently address the observed anomalies in $b o s\ell^+\ell^-$ transitions and in $a_\mu$ without violating the bounds from other observables (in particular $B_s -\bar B_s$ mixing) or LHC searches. In fact, we find that our global fit to this model, after the recent experimental updates, is very good and prefers couplings to right-handed SM fermions, showing the importance of our generic setup and calculation performed in the first part of the article.

연구 동기 및 목표

• 새로운 스칼라 및 페르미온의 루프 기여를 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 이상 현상에 포괄하는 일반적인 라그랑지안 프레임워크를 개발하는 것.
• 최근 실험 데이터에서 선호되고 있는 오른쪽 편향된 표준모형 페르미온과의 결합을 포함하여 이전 분석을 확장하는 것.
• 벡터-유사한 네 번째 세대와 실수 스칼라 필드를 포함하는 UV-완전 모델을 구축하고, 이 모델이 두 이상 현상 모두를 일관적으로 설명할 수 있도록 테스트하는 것.
• 기존의 $B_s - \bar{B}_s$ 혼합 및 LHC 탐색 결과로부터의 제약 조건과도 일치하는지 보장하는 것.

제안 방법

• 루프 다이어그램을 통해 $b \to s\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 전이에 관련된 윌슨 계수를 생성하는 가장 일반적인 효과적 라그랑지안을 유도하는 것.
• 새로운 스칼라 및 페르미온 상태를 포함한 모든 관련 윌슨 계수에 대한 일반적인 표현식을 계산하며, 오른쪽 편향된 결합까지 포함하는 것.
• 표준모형에 벡터-유사한 네 번째 세대와 실수 스칼라 싱게트를 추가하여 UV-완전 모델을 구성하는 것.
• 최근의 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 데이터 업데이트를 반영하여 실험 데이터에 대한 전반적 피팅을 수행하며, $B_s - \bar{B}_s$ 혼합 및 LHC 탐색 결과로부터의 제약 조건을 적용하는 것.
• 일반적인 프레임워크를 사용하여 모델의 일관성을 검증하고, 선호되는 결합 구조를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 효과적 필드 이론 프레임워크는 새로운 스칼라 및 페르미온의 루프 기여를 통해 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 오른쪽 편향된 표준모형 페르미온과의 결합을 포함하면, 왼쪽 편향된 결합 대비 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 데이터에 대한 피팅 성능이 향상되는가?
• RQ3 벡터-유사한 네 번째 세대와 실수 스칼라 필드를 포함하는 UV-완전 모델이 기존 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서도 두 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ4 최근 실험 데이터 업데이트를 반영한 후, 이러한 모델의 전반적 피팅 품질은 어떠한가?

주요 결과

• 일반적인 프레임워크는 새로운 스칼라 및 페르미온의 루프 기여를 $b \to s\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$에 효과적으로 포괄하며, 이전에 간과되었던 오른쪽 편향된 결합까지 포함한다.
• 오른쪽 편향된 결합의 포함은 최근 실험 결과에서 선호되고 있는 바와 같이, $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 및 $(g-2)_\mu$ 데이터에 대한 피팅 성능을 크게 향상시킨다.
• 벡터-유사한 네 번째 세대와 실수 스칼라 필드를 포함하는 UV-완전 모델은 허용 가능한 매개변수 영역 내에서 두 이상 현상에 대해 일관된 설명을 제공한다.
• 모델은 $B_s - \bar{B}_s$ 혼합 및 LHC 탐색 결과로부터의 제약 조건과도 일치하며, 현상학적 프레임워크로서의 타당성을 입증한다.
• 최근 실험 데이터 업데이트를 반영한 전반적 피팅 결과는 데이터와 양호한 일치를 보이며, 이 모델이 새로운 물리학의 매력적인 후보임을 시사한다.