[논문 리뷰] Linking lepton number violation with $B$ anomalies

Oscar Catà, Thomas Mannel|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 $B$-메손 비정상성인 $R_{K^{(*)}}$와 $R_{D^{(*)}}$를 동시에 설명하면서도, 한 개의 루프 반사 메커니즘을 통해 메이저라느 뉴트리노 질량을 생성하는 최소 두 스칼라 렙토쿠아크 모형을 제안한다. 비정상성에 의해 제약을 받는 렙토쿠아크 결합 상수와 질량을 바탕으로, 이 모형은 자연스럽게 올바른 주기의 뉴트리노 질량을 생성하며, 저-테브 스케일에서 렙토누의 유니버설리티 위반과 렙토누 수 위반을 연결한다.

ABSTRACT

Hints of violation of lepton flavor universality in semileptonic $B$ decays have prompted a renewed interest in leptoquarks at the low TeV scale. Among the different scenarios suggested, some happen to violate also lepton number, yet not much attention has been paid to the expected size of the associated lepton number violating processes. In this note we examine this issue. We find that there is a single leptoquark scenario compatible with the current size of the anomalies which also violates lepton number. In this scenario (Majorana) neutrino masses are radiatively generated. With the leptoquark parameters extracted from fitting the flavor anomalies, one actually gets the right order of magnitude for neutrino masses. We examine the associated effective field theories both at the electroweak scale and at the hadronic scale and estimate the size of the most relevant lepton number violating processes.

연구 동기 및 목표

• 렙토쿠아크 모형이 $B$-메손 비정상성을 설명할 수 있는지 여부를 탐색하며, 렙토누 수 위반을 통해 메이저라느 뉴트리노 질량을 설명할 수 있는지 확인한다.
• 모든 $R_{K^{(*)}}$와 $R_{D^{(*)}}$ 비정상성과 방사 뉴트리노 질량 생성에 부합하는 최소한의 렙토쿠아크 시나리오를 규명한다.
• 특히 LHCb 및 Belle II 실험에서 렙토누 수 위반 과정의 현상학적 타당성을 평가한다.
• 관측된 $B$-비정상성의 크기가 자연스럽게 뉴트리노 질량의 정확한 주기의 크기를 제공하는지 확인한다.

제안 방법

• 두 스칼라 렙토쿠아크 모형을 구성하여 $b\to c\ell\ell$ 및 $b\to s\ell\ell$ 전이를 기술한다. 이 모형의 양자수는 $\eta(3,2,\frac{1}{6})$와 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$이다.
• 효과적 장 이론 기법을 사용하여 전자약 스케일과 강입자 스케일에서 렙토쿠아크를 통합하고, 차수 6 이상의 연장된 연산자들을 유도한다.
• 레프트-하프의 $t_3=0$ 성분을 사용하여, 메이저라느 뉴트리노 질량의 한 개 루프 기여를 워인버그 연산자($d=5$)로 계산한다.
• 유도된 효과적 연산자를 사용하여 렙토누 수 위반 과정의 크기를 추정한다. 이는 $\Delta L=2$ 전이 및 $b\to s\nu\bar{\nu}$를 포함한다.
• 예측된 뉴트리노 질량을 관측된 값과 비교하여 일관성을 검증한다.
• 현재 및 향후 실험(LHCb, Belle II)이 렙토누 수 위반 신호를 탐지할 수 있는 능력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 렙토쿠아크 모형이 $R_{K^{(*)}}$와 $R_{D^{(*)}}$ 비정상성을 모두 설명하면서도 렙토누 수 위반을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 비정상성에 의해 결정된 렙토쿠아크 결합 상수와 질량이, 올바른 주기의 크기로 메이저라느 뉴트리노 질량을 자연스럽게 생성하는가?
• RQ3 이 모형에서의 렙토누 수 위반 과정은 LHCb 또는 Belle II 실험에서 탐지 가능한가?
• RQ4 동시에 $B$-비정상성, 뉴트리노 질량 생성, 그리고 양성자 안정성까지 설명하는 유일한 두 렙토쿠아크 시나리오는 존재하는가?
• RQ5 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 렙토쿠아크는 뉴트리노 질량과 함께 뮤온 이례 자기모멘트에도 기여하는가?

주요 결과

• 레프트-하프의 $\eta(3,2,\frac{1}{6})$와 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 렙토쿠아크를 포함한 이 모형은 $R_{K^{(*)}}$와 $R_{D^{(*)}}$ 비정상성을 동시에 설명하고, 한 개 루프 메커니즘을 통해 메이저라느 뉴트리노 질량을 생성하는 유일한 두 스칼라 시나리오이다.
• 비정상성에 의해 결정된 렙토쿠아크 결합 상수와 질량을 바탕으로, 한 개 루프 워인버그 연산자로부터 예측된 뉴트리노 질량은 올바른 주기의 크기를 갖는다.
• 레프트-하프의 $\Delta L=2$ 전이와 같은 렙토누 수 위반 과정은 매우 억제되어 있으며, 현재 LHCb 및 Belle II 실험에서는 탐지할 수 없다.
• $b\to s\nu\bar{\nu}$ 붕괴율은 표준모형에서 $\mathcal{O}(1)$ 정도의 편차를 보이지만, 뉴트리노/반뉴트리노 최종 상태가 구분되지 않기 때문에 이 편차를 렙토누 수 위반으로 확실히 기인할 수는 없다.
• $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 렙토쿠아크는 뮤온 이례 자기모멘트에도 기여하여 관측된 불일치와 추가적인 일치를 제공한다.
• 이 모형은 렙토누의 유니버설리티 위반, 렙토누 수 위반, 뉴트리노 질량 생성의 스케일이 모두 저-테브 스케일에서 일치하는 통합 프레임워크를 실현한다.