[논문 리뷰] Implications of a vector-like lepton doublet and scalar Leptoquark on $R(D^{(*)})$

Lobsang Dhargyal, Santosh Kumar|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 R(D*) 및 R(D) 비정상 현상을 설명하기 위해 표준모형에 Z₂-홀드 벡터형 렙톤 이중체, 스칼라 렙토퀀크(3중립, Y=+2/3), 그리고 스칼라 싱게틀을 추가로 도입한다. 이 모형은 R(D*) 및 R(D)에 상당한 새로운 물리 기여를 제공하여 이론과 실험 간의 갈등을 각각 3.4σ에서 0.8σ, 2.3σ에서 0.6σ로 감소시키며, Z-폴, 중성 메손 혼합, S/T/U 매개변수에 대한 엄격한 제약 조건을 모두 만족한다.

ABSTRACT

We study the phenomenological constraints and consequences in the flavor sector, of introducing a new fourth generation $\mathcal{Z}_{2}$ odd vector-like lepton doublet along with a Standard Model (SM) singlet scalar and an $SU(2)_{L}$ singlet scalar leptoquark carrying electromagnetic charge of $+2/3$, both odd under a $\mathcal{Z}_{2}$. We show that with little fine tuning among the various Yukawa couplings in the new physics (NP) Lagrangian along with the CKM parameters, the model is able to push the theoretical value of $R(D^{*})^{th}$ from $0.252 \pm 0.003$ to $0.263 \pm 0.051$ and $R(D)^{th}$ from $0.300 \pm 0.008$ to $0.313 \pm 0.158$ compared to the SM value. Especially the NP contributions are able to reduce the discrepancy between experiment and theory of $R(D^{*})$ substantially compared to SM. This is quite impressive given that the model satisfy all other very stringent constrains coming from neutral meson oscillations and precision $Z$-pole data.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측과 R(D*) 및 R(D)의 실험 측정치 사이에 지속적인 2–4σ의 편차가 존재하는 문제를 해결하기 위해.
• 이러한 비정상 현상을 설명하면서도 엄격한 플레이버 및 정밀 전자약력 제약 조건을 위반하지 않는 표준모형의 타당한 확장 구축을 위해.
• 벡터형 렙톤 이중체와 스칼라 렙토퀀크가 Z₂ 대칭에 대해 홀드일 때, R(D*) 및 R(D)에 충분한 기여를 생성할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 중성 메손 혼합, Z-폴 관측량, Peskin-Treiman S, T, U 매개변수와의 일致를 보장하기 위해.
• 새로운 물리 기여가 비정상 현상을 충분히 해결할 수 있을 정도로 크면서도 모든 현재 실험 제약 조건과 호환되는 매개변수 공간을 식별하기 위해.

제안 방법

• SU(2)L에서 이중체로 변환되며 Z₂ 대칭에 대해 홀드인 벡터형 렙톤 이중체 (F⁰, F⁻)를 도입한다.
• 초전하 +2/3, Z₂-홀드인 SU(3)c 3중립 스칼라 렙토퀀크 (ϕLQ)와 복소수 스칼라 싱게틀 (S)을 추가하며, 둘 다 Z₂-홀드이다.
• 새로운 입자들을 포함하는 양자역학적 상호작용 라그랑지안을 구성한다: LNP = Σ_i h_i Q̄_iL L_4R ϕLQ + Σ_j h_j L̄_jL L_4R S + m_F L̄_4L L_4R + h.c.
• 표준모형 게이지 대칭과 Z₂에 대해 불변인 스칼라 포텐셜을 포함하며, 힉스, ϕLQ, S를 포함하는 항들과 삼중선 및 4중선 상호작용을 포함한다.
• b → cτν̄_τ 붕괴를 통해 R(D*) 및 R(D)에 대한 기여를 계산하며, 표준모형 및 새로운 물리 기여의 진폭과 간섭 효과를 포함한다.
• K⁰–K̄⁰ 및 B⁰_i–B̄⁰_i (i=d,s) 혼합, Z-폴 붕괴 분획율(Br(Z→f̄f)), Peskin-Treiman S, T, U 매개변수에 의한 엄격한 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z₂-홀드 벡터형 렙톤 이중체와 스칼라 렙토퀀크가 기존 플레이버 제약 조건을 위반하지 않고 동시에 R(D*) 및 R(D) 비정상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 R(D*) 및 R(D)에 대한 새로운 물리 기여의 크기는 얼마이며, 실험 데이터와의 격리 정도는 어떻게 감소하는가?
• RQ3 새로운 입자들이 Z-폴 분획율 및 S/T/U 매개변수와 같은 정밀 전자약력 관측량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 모든 실험 제약 조건을 만족하면서도 상당한 NP 기여를 얻기 위해 양자역학 상수와 질량에 어떤 조정이 필요한가?
• RQ5 비정상 현상을 해결하기 위해 필요한 질량 스케일을 고려할 때, 고광도 런에서 LHC가 새로운 물리 상태를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 표준모형에서 R(D*)^th의 이론적 예측은 0.252 ± 0.003에서 이 모형에서 0.263 ± 0.051로 증가하여 실험과의 갈등이 크게 감소한다.
• 표준모형에서 R(D)^th의 이론적 예측은 0.300 ± 0.008에서 0.313 ± 0.158로 증가하여 실험과의 격리 정도가 감소한다.
• 새로운 물리 기여로 인해 R(D*)에 대한 이론과 실험 간 격리는 3.4σ에서 0.8σ로 감소한다.
• R(D)에 대한 격리는 2.3σ에서 0.6σ로 감소하여 표준모형 예측보다 상당한 개선을 보인다.
• 중성 메손 혼합(K⁰–K̄⁰ 및 B⁰_i–B̄⁰_i)에 대한 모든 제약 조건을 만족하며, ΔM_K 및 ΔM_Bs는 실험적 한계와 일치한다.
• Z-폴 분획율(e.g., Br(Z→bb̄)_NP ≈ 4.7×10⁻⁵)과 S/T/U 매개변수(S ≈ 0.0203, T ≈ 0, U ≈ 0)는 모두 실험적 범위 내에 유지되어 모형의 타당성을 확인한다.