[논문 리뷰] Leptoquark models for the $B$-physics anomalies

Olcyr Sumensari|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $B$-물리 이상 현상인 $R_K^\text{exp} < R_K^\text{SM}$ 와 $R_{D^{(*)}}^\text{exp} > R_{D^{(*)}}^\text{SM}$ 를 동시에 설명하기 위해 (3,2)₁/₆ 스칼라 렙토퀀크 모델과 가벼운 오른쪽으로 회전한 중성미온을 제안한다. 이 모델은 $6.7 \times 10^{-6}$ 이하의 분해율을 가진 $B \to K\mu\tau$ 와 같은 렙톤 측면 위반 붕괴를 관측 가능한 예측을 하며, LHCb와 향후 B-팩토리에서 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

The $B$-physics experiments at LHCb, BaBar and Belle hint towards deviations from Lepton Flavor Universality in both the tree-level and loop-induced $B$ meson semileptonic decays. We propose a leptoquark model with light right-handed neutrinos which can accommodate both $R_K^\mathrm{exp}R_{D^{(\ast)}}^\mathrm{SM}$. We discuss several of its predictions which can be tested in modern day experiments. We also comment on the recent finding at LHCb, namely $R_{K^\ast}^{\mathrm{exp}}

연구 동기 및 목표

• B-메손 붕괴에서 관측된 지속적인 렙톤 측면 대칭성 위반(Lepton Flavor Universality, LFU) 위반 현상, 특히 $R_K < 1$ 과 $R_D > 1$ 를 해결하기 위해.
• 기존의 플레이버 물리 제약 조건과 충돌하지 않으면서 $R_K$와 $R_D$ 이상 현상을 동시에 수용할 수 있는 재규격화 가능하고 타당한 모델을 구축하기 위해.
• 현재와 향후 실험에서 탐지 가능한 렙톤 측면 위반 붕괴 및 $B_c$ 붕괴에 대한 검증 가능한 예측을 제공하기 위해.
• 최근 LHCb에서 관측된 $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ 의 힌트를 설명하기 위해 모델을 확장할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 나무 단계의 쌍함수를 통해 $b \to s\ell\ell$ 와 $b \to c\ell\nu$ 전이를 매개하는 $(3,2)_{1/6}$의 양자수를 가진 스칼라 렙토퀀크와 가벼운 오른쪽으로 회전한 중성미온을 도입한다.
• Yukawa 상수 $Y_L$ 과 $Y_R$ 를 사용하여 저에너지에서의 효과적 라그랑지안을 구성하며, $m_\Delta \sim 1\ \text{TeV}$ 에 의한 루프 억제를 통해 윌슨 계수를 유도한다.
• $B \to K\mu\mu$, $B \to D\tau\nu$, $B \to K\mu\tau$, $B_c \to \eta_c\tau\nu$, $B_c \to \tau\nu$ 붕괴, $\tau \to \mu\gamma$, $B_s \to \bar{B}_s$ 혼합에 의한 제약 조건을 적용한다.
• $B \to D$ 와 $B \to D^*$ 전이에 대해 라티스 QCD 형상 인자들을 사용하여 $R_D$ 와 $R_{D^*}$ 를 계산하며, LQCD 데이터의 불완전성으로 인해 $R_{D^*}$ 는 정성적으로 다룬다.
• 실험적 및 이론적 제약 조건 하에서 Yukawa 상수의 전반적 피팅을 수행하여 예측 가능한 분해율을 유도한다.
• 프로톤 안정성과 균형을 유지하면서 $R_{K^*}$ 이상 현상을 루프 유도 기여로 설명할 수 있는 $(\bar{3},3)_{1/3}$ 과 $(3,2)_{7/6}$ 등의 대안적 렙토퀀크 상태를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가벼운 오른쪽으로 회전한 중성미온을 가진 단일 렙토퀀크 모델이 $B$-메손 붕괴에서 관측된 $R_K < 1$ 과 $R_D > 1$ 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 이러한 모델이 예측하는 관측 가능한 렙톤 측면 위반 붕괴 모드는 무엇이며, 그 분해율은 얼마인가?
• RQ3 이 모델은 $B_c \to \eta_c\tau\nu$ 와 $B_c \to \tau\nu$ 붕괴 비율에 표준모형 대비 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모델은 최근 LHCb에서의 $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ 힌트를 설명할 수 있으며, 만약 가능하면 어떤 메커니즘을 통해 설명하는가?
• RQ5 이 모델은 프로톤 안정성과 기타 플레이버 변화 과정에 대해 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• 모델은 실험적 값인 $R_K^\text{exp} = 0.745 \pm 0.090_{-0.074}^{+0.036}$ 와 $2.4\sigma$ 수준에서 일치하는 $R_K = 0.88(8)$ 을 예측한다.
• 모델은 $R_D^\text{exp} > R_D^\text{SM}$ 를 $1\sigma$ 수준에서 수용하며, $R_D = 0.41 \pm 0.05$ 라고 예측한다.
• 렙톤 측면 위반 붕괴인 $B \to K\mu\tau$ 의 분해율은 $2.1 \times 10^{-10}$ 에서 $6.7 \times 10^{-6}$ 사이로 예측되어 LHCb에서 관측 가능할 수 있다.
• 모델은 $B_c \to \eta_c\tau\nu$ 붕괴 비율을 상당히 증가시키며, $R_{\eta_c}/R_{\eta_c}^\text{SM}$ 는 1.02에서 1.21 사이로 예측된다.
• $B_c \to \tau\nu$ 붕괴의 분해율은 표준모형 값 대비 5.5배에서 16.1배로 증가된 것으로 예측된다.
• 모델은 나무 단계 기여로는 $R_{K^*}^\text{exp} < R_{K^*}^\text{SM}$ 를 설명할 수 없지만, 루프 유도 기여를 통해 $C_9 = -C_{10} < 0$ 를 갖는 다른 렙토퀀크 상태 $(3,2)_{7/6}$ 가 프로톤 안정성을 유지하면서 이를 설명할 수 있다.