[논문 리뷰] Invoking Chiral Vector Leptoquark to explain LFU violation in B Decays

Bhavesh Chauhan, Bharti Kindra|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 B 메손 붕괴에서 다수의 렙톤 플레어 유니버설리티(LFU) 위반 현상을 설명하기 위해 편극성 벡터 렙톤쿼크(U₁) 모델을 제안한다. 최근 LHCb에서 측정한 R_{J/ψ} ≈ 0.71, R_D^{(*)}, R_{K^{(*)}} 이질현상들을 포함한다. 모델은 왼쪽손잡이 결합의 특정 텍스처를 사용하여 실험적 불확도 내에서 모든 이질현상을 동시에 맞추며, 희귀 붕괴 및 플레어 위반 과정의 제약 조건을 만족시킨다.

ABSTRACT

LHCb has recently reported more than $2σ$ deviation from the Standard Model prediction in the observable $R_{J/ψ}$. We study this anomaly in the framework of a vector leptoquark along with other lepton flavor universality violating measurements which include $R_{K^{(*)}}$, and $R_{D^{(*)}}$. We show that a chiral vector leptoquark can explain all the aforementioned anomalies consistently while also respecting other experimental constraints.

연구 동기 및 목표

• LHCb에서 보고한 R_{J/ψ} = BR(B_c⁺ → J/ψ τ⁺ ν_τ)/BR(B_c⁺ → J/ψ μ⁺ ν_μ)의 최근 2σ 이질현상을 설명하기 위해.
• B 붕괴에서 다수의 LFU 위반 이질현상인 R_D, R_D^{*}, R_K, R_K^{*}를 일관되게 설명하기 위해.
• BR(B_s → μ⁺μ⁻) 및 BR(B → τν)와 같은 기존 실험 제약 조건과의 호환성을 확보하기 위해.
• 벡터 렙톤쿼크 모델이 동시에 충전형인 (b → cτν) 및 중성형인 (b → sμ⁺μ⁻) 이질현상을 설명할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 기여도가 미미한지 확인함으로써 모델의 타당성을 검증하기 위해 (g-2)_μ, τ → μγ, D_q⁺ → τν의 기여도를 점검하기 위해.

제안 방법

• SU(3)_c × U(1)_B−L × U(1)_Y 아래에서 (3,1,2/3)로 변환되는 벡터 렙톤쿼크 U₁를 도입하고, 왼쪽손잡이 결합을 통한 상호작용을 가정한다.
• 두 번째 및 세 번째 쿼크 세대에만 비영인 요소가 있는 왼쪽손잡이 결합 행렬 g_L^0의 특정 텍스처를 가정하여 b → cτν 및 b → sμ⁺μ⁻ 전이를 가능하게 한다.
• CKM 및 PMNS 행렬을 사용해 결합을 질량 고유상태 기저로 회전시켜 붕괴 진폭 계산을 가능하게 한다.
• 형태 인자(form factors)를 [3, 35]에서 가져와 적절한 강입자 행렬원소를 고려해 R_{J/ψ}를 계산한다.
• 실험 데이터에 대한 전반적 피팅을 수행하며, R_{J/ψ}는 2σ 불확도, R_D^{(*)} 및 R_{K^{(*)}}는 1σ 불확도를 允허한다.
• 모델 타당성 테스트를 위해 BR(B_s → μ⁺μ⁻) = 2.8⁺⁰.⁷₋₀.⁶ × 10⁻⁹ 및 BR(B → τν) = (1.14 ± 0.27) × 10⁻⁴의 제약 조건을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 벡터 렙톤쿼크 모델이 관측된 R_{J/ψ}, R_D^{(*)}, R_{K^{(*)}} 이질현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 모델은 BR(B_s → μ⁺μ⁻) 및 (g-2)_μ와 같은 정밀한 플레어 및 전자약력 제약 조건과 일관성이 있는가?
• RQ3 벡터 렙톤쿼크의 편극성 결합이 충전형인 및 중성형인 B 붕괴 과정 간의 상호작용에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 측정된 R_D^{(*)} 값과 비교할 때, R_{J/ψ} 이질현상은 무거운 쿼크 스핀 대칭의 예측과 호환되는가?
• RQ5 모든 이질현상이 실험적 불확도 내에서 동시에 맞추어지는 렙톤쿼크 결합에 대한 허용 가능한 매개변수 공간은 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 측정된 값 0.71 ± 0.17 ± 0.18를 통해 R_{J/ψ} 이질현상을 성공적으로 설명하며, 이는 표준모형 예측인 0.289 ± 0.010으로부터 약 2σ 떨어져 있다.
• 동일한 렙톤쿼크 모델은 R_D = 0.403 ± 0.040 ± 0.024 및 R_D^{*} = 0.310 ± 0.015 ± 0.008를 동시에 맞추며, 각각 표준모형 예측으로부터 약 2.2σ 및 3.4σ의 이질현상이 나타난다.
• 모델은 R_K^{(*)} 이질현상도 설명하며, 저- 및 중심-q² 영역에서의 R_K^{(*)} 값은 표준모형 예측으로부터 약 2.1–2.5σ의 이질현상을 보인다.
• λ₃ = 2 및 λ₃ = 3인 경우의 허용 가능한 매개변수 공간은 그림 1에 시각화되어 있으며, 1–2σ 불확도 내에서 모든 이질현상과 일관성이 있음을 보여준다.
• (g-2)_μ, BR(D_q⁺ → τν), BR(τ → μγ)의 기여도는 모두 미미한 것으로 나타나, 기존 제약 조건과의 일관성이 유지됨을 보장한다.
• 모델은 주로 고차원에서의 중량 쿼크 스핀 대칭을 유지하지만, R_{J/ψ}의 더 큰 실험적 불확도로 인해 관측된 R_{J/ψ} 및 R_D^{(*)} 값은 1σ 범위 내에서 완전히 일치하지 않는다.