[논문 리뷰] Modified lepton couplings and the Cabibbo-angle anomaly

Antônio Coutinho, Andreas Crivellin외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

논문은 레프톤 편재성 위반(LFUV)이 게이지 보존에 대한 중성미오 쌍체에 기인한 캐비보 각도 이상 현상—다양한 과정에서의 $V_{us}$ 측정치 간 괴리—을 설명한다. 모델에 종속되지 않는 베이지안 전역 피팅을 통해 전자 및 뮤온 중성미오 쌍체의 수정이 비제로임에 대한 강력한 증거($>99.99\%$ 신뢰수준, $>4\sigma$)를 발견하였으며, 뮤온 측면에서의 상호간섭이 강화되어야 하며, 단순한 오른쪽 편성 중성미오 모델은 배제된다.

ABSTRACT

Significant discrepancies between the different determinations of the Cabibbo angle have been observed. Here, we point out that this "Cabibbo-angle anomaly" can be explained by lepton flavour universality (LFU) violating New Physics (NP) in the neutrino sector. However, modified neutrino couplings to Standard Model gauge bosons also affect many other observables sensitive to LFU violation, which have to be taken into account in order to assess the viability of this explanation. Therefore, we perform a model-independent Bayesian global analysis and find that non-zero modifications of electron and muon neutrino couplings are preferred at more than $99.99\%\,{ m C.L.}$ (corresponding to more than $4\,σ$). Our results show that constructive effects in the muon sector are necessary, meaning simple models with right-handed neutrinos are discarded and more sophisticated NP models required.

연구 동기 및 목표

• 다양한 과정에서의 $V_{us}$ 측정치 간 지속적인 긴장 상태인 캐비보 각도 이상 현상을 해결하기 위해.
• 중성미오 부문에서의 레프톤 편재성 위반(LFUV)이 이 이상 현상을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• W 및 Z 보손과의 수정된 중성미오 쌍체가 뉴클레온 물리학의 설명으로서 타당한지 평가하기 위해.
• 정밀 전자기적 상호작용, LFU 검증, $V_{us}$ 측정에 기반한 관측량을 통합한 전역 피팅을 수행하기 위해.
• 단순한 모델, 예를 들어 오른쪽 편성 중성미오 모델이 데이터와 일치하는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• W 및 Z 보손과의 수정된 중성미오 쌍체를 기술하기 위해 차원-6에서의 효과적 장 이론(EFT) 접근법을 사용하며, 단일 연산자로 기술한다.
• 윌슨 계수 효과를 수정된 쌍체를 통해 매개한다: $W\ell\nu \sim (\delta_{ij} + \frac{1}{2}\varepsilon_{ij})$ 및 $Z\nu\nu \sim (\delta_{ij} + \varepsilon_{ij})$.
• HEPfit 패키지를 사용하여 베이지안 전역 피팅을 수행하며, $G_F$, $\alpha$, $M_Z$, $m_t$, $m_H$, $V_{us}^\mathcal{L}$, $\varepsilon_{ii}$에 적절한 사전 확률을 포함한다.
• 정밀 전자기적 관측량(LHC, 테바트론, LEP), LFU 비율(W 붕괴, $K/\pi/\tau$ 붕괴), 그리고 초등방향 $\beta$ 붕괴, $K_{\mu3}$ 붕괴, $\tau$ 붕괴, $K/\pi$ 붕괴를 통한 $V_{us}$ 측정치를 포함한다.
• 간접 효과를 고려하기 위해 $G_F$ 이동을 반영한다: $G_F = G_F^\mathcal{L}(1 + \frac{1}{2}\varepsilon_{ee} + \frac{1}{2}\varepsilon_{\mu\mu})$.
• 정보 기준(IC)을 사용하여 SM 및 NP 모델을 비교하며, 더 낮은 IC는 더 높은 예측 정확도와 피팅 적합도를 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미오 쌍체에서의 레프톤 편재성 위반(LFUV)이 캐비보 각도 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 정밀 전자기적 상호작용 및 LFU 위반 관측량에 대한 전역 피팅을 통해 수정된 중성미오 쌍체에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 현행 데이터와 일치하는가? 아니면 중성미오 부문에서 뉴클레온 물리학에 대한 강력한 증거가 있는가?
• RQ4 전역 피팅의 관점에서 단순한 오른쪽 편성 중성미오 모델은 여전히 타당한가?
• RQ5 이상 현상을 해결하기 위해 $\varepsilon_{ee}$와 $\varepsilon_{\mu\mu}$ 간의 상호작용은 어떻게 이루어져야 하는가?

주요 결과

• 전자 및 뮤온 중성미오 쌍체의 비제로 수정은 $99.99\%$ 이상의 신뢰수준에서 선호되며, 이는 $4\sigma$ 이상의 유의수준에 해당한다.
• $\varepsilon_{ee}$ 및 $\varepsilon_{\mu\mu}$ 매개변수는 반대 부호의 반상관관계를 보이며, 이는 뮤온 측면에서의 상호간섭 강화를 의미한다.
• 표준모형(SM)은 강력히 기각된다: $\text{IC}_{\rm SM} \simeq 93$ 대비 $\text{IC}_{\rm NP} \simeq 76$로, 뉴클레온 물리학에 대한 '매우 강력한' 증거를 시사한다.
• 파라미터가 상호간섭을 파악하는 데 필요한 파라미터를 요구하는 단순한 오른쪽 편성 중성미오 모델은 데이터와 부합하지 않아 배제된다.
• 이상 현상은 주로 초등방향 $\beta$ 붕괴와 $K_{\mu3}$ 붕괴에서의 수정에 의해 영향을 받는다. 여기서 $V_{us}^{K_{\mu3}} \simeq |V_{us}^\mathcal{L}|(1 - \frac{1}{2}\varepsilon_{ee})$ 및 $V_{us}^{\beta} \simeq \sqrt{1 - |V_{ud}^\mathcal{L}|^2(1 - \frac{1}{2}\varepsilon_{\mu\mu})^2}$이다.
• 전역 피팅 결과, NP 하에서 $V_{us}$의 사후 분포는 입력값 간 일관되며, $G_F$ 수정으로 인해 초등방향 $\beta$ 붕괴에서 가장 큰 이동이 발생한다.