[논문 리뷰] Leptoquark-vectorlike quark model for the CDF $m_W$, $(g-2)_μ$, $R_{K^{(\ast)}}$ anomalies and neutrino mass

Talal Ahmed Chowdhury, Shaikh Saad|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CDF의 $m_W$ 이상현상, $(g-2)_\mu$ 격리, $R_{K^{(*)]}$ 경량자 간 유니버설리티 위반, 중성미온 질량을 동시에 설명할 수 있는 통합 모델을 제안한다. 이 모델은 두 개의 스칼라 레프토퀀크($\widetilde{R}_2$, $S_3$)와 벡터라이크 쿼크($\psi$)를 포함하며, $W$-보손 자기에너지 보정, 뮤온의 비례자기모멘트에 대한 큰 기여, 그리고 트리 수준의 $B$-메손 붕괴 진폭을 통해 이러한 현상을 설명한다. 이는 기존의 LHC, LEP, $\mu\to e$ 변환 제약 조건과도 일치한다.

ABSTRACT

Very recently, a substantial $7σ$ deviation of the $W$-boson mass from the Standard Model (SM) prediction has been reported by the CDF collaboration. Furthermore, the Muon g-2 Experiment recently confirmed the longstanding tension in $(g-2)_μ$. Besides, the updated result from the LHCb collaboration found evidence for the breaking of lepton universality in beauty-quark decays, which shows a $3.1σ$ discrepancy and is consistent with their previous measurements. Motivated by several of these drawbacks of the SM, in this work, we propose a model consisting of two scalar leptoquarks and a vectorlike quark to simultaneously address the $W$-boson mass shift, the $(g-2)_μ$, and anomalies in the neutral current transitions of the $B$-meson decays. The proposed model also sheds light on the origin of neutrino mass and can be fully tested at the future colliders.

연구 동기 및 목표

• CDF에서 측정한 $W$-보손 질량의 $7\sigma$ 이격을 설명하기 위해 표준모형 예측과 상충되는 현상에 대응한다.
• 오랫동안 지속된 뮤온의 비례자기모멘트 $(g-2)_\mu$에 대한 $4.2\sigma$ 격리 문제를 해결한다.
• $B$-메손 붕괴에서의 경량자 간 유니버설리티 위반을 나타내는 $R_K$와 $R_{K^*}$ 비율의 $3.1\sigma$ 부족을 설명한다.
• 일관된 뒷받침되는 모형(BSM) 프레임워크 내에서 중성미온 질량을 생성할 수 있는 메커니즘을 제공한다.
• 향후 고에너지 충돌기에서 검증 가능하고 현상학적으로 타당한 모델을 구축한다.

제안 방법

• 표준모형을 확장하기 위해 두 개의 스칼라 레프토퀀크인 $\widetilde{R}_2 \sim (3,2,1/6)$와 $S_3 \sim (\overline{3},3,1/3)$, 그리고 벡터라이크 쿼크 $\psi \sim (3,2,-5/6)$를 도입한다.
• $\widetilde{R}_2$와 $S_3$ 레프토퀀크 간의 비영이 혼합을 통해 $W$-보손 자기에너지에 대한 루프 보정을 생성함으로써 $m_W$의 이격을 설명한다.
• 동일한 혼합을 통해 질량 뒤집힌 벡터라이크 쿼크 루프를 통해 $(g-2)_\mu$에 대한 큰 새로운 물리 기여를 생성한다.
• $S_3$ 레프토퀀크의 양자역학적 결합을 통해 SM 페르미온과 상호작용하여 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 붕괴를 매개하고 $R_{K^{(*)}}$ 이상현상을 설명한다.
• 벡터라이크 쿼크와 레프토퀀크 결합을 통해 세이프 모델 유사 메커니즘을 구현하여 작은 중성미온 질량을 생성한다.
• 전체 피팅 분석을 수행하고 $\mu\to e$ 변환, $B\to K^{(*)}\nu\bar{\nu}$, $B_s$ 혼합, LEP 데이터로부터의 제약 조건을 도입하여 타당성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 BSM 모델이 CDF의 $m_W$ 이상현상, $(g-2)_\mu$ 격리, $R_{K^{(*)}}$ 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 레프토퀀크 혼합과 벡터라이크 쿼크 루프는 $W$-보손 자기에너지와 뮤온 $g-2$에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 $\mu\to e$ 변환, $B\to K^{(*)}\nu\bar{\nu}$, $B_s$ 혼합 관측량으로부터의 제약 조건은 모델에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모델이 세이프 모델 유사 메커니즘을 통해 작은 중성미온 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ5 모델은 향후 충돌기, 특히 $pp$ 및 $e^+e^-$ 기계에서 얼마나 검증 가능할까?

주요 결과

• 모델은 $\widetilde{R}_2$–$S_3$ 혼합에 의한 루프 보정을 통해 CDF의 $m_W$ 측정값인 $80.4335 \pm 0.0094$ GeV을 성공적으로 설명하며, 표준모형에서의 $7\sigma$ 이격과 일치한다.
• $(g-2)_\mu$ 격리는 새로운 물리 기여 $\Delta a_\mu = (2.51 \pm 0.59) \times 10^{-9}$를 통해 해결되며, 실험적 값과 $4.2\sigma$ 수준에서 일치한다.
• $R_K$와 $R_{K^*$ 비율은 $S_3$ 매개 $B$-메손 붕괴를 통해 표준모형에서의 $3.1\sigma$ 부족을 설명하며, LHCb 측정 결과와 일치한다.
• 모델은 벨레 한계 내에서 $BR(B \to K^{(*)}\nu\bar{\nu})$ 비율을 예측한다: $R^{\nu\bar{\nu}}_K < 3.9$ 및 $R^{\nu\bar{\nu}}_{K^*} < 2.7$.
• $B_s$ 혼합 질량 차이 $\Delta m_{B_s}$ 는 $|C^{NP}_1| < 2.01 \times 10^{-5}\ \text{TeV}^{-2}$ 범위로 제약되며, 모델은 이 조건을 충족한다.
• 모델은 현재의 제한치인 $7 \times 10^{-13}$ 이하의 $\mu\to e$ 변환 확률를 예측하며, 향후 감도는 $10^{-16}$까지 향상되어 향후 실험에서 검증 가능하다.