[논문 리뷰] $R_{K^{(*)}}$ anomaly in type-III 2HDM

Abdesslam Arhrib, Rachid Benbrik외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유형-III 이중 힉스 이중체 모형(2HDM)에서 $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomalies를 조사하며, 큰 $ an\beta$를 가진 가벼운 이중 레프톤 힉스 보손이 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 붕괴에서 표준모형과의 관측된 편차를 설명할 수 있음을 보여준다. 이 모형은 유형-II 2HDM와 달리, 음성 힉스 펜그린 및 상자 도형을 통해 $R_{K^{(*)}}$, $B_s \to \mu^+\mu^-$, 그리고 기타 희귀한 $b \to s\mu^+\mu^-$ 과정을 성공적으로 수용한다.

ABSTRACT

Recent experimental results provided by the CMS and LHCb, Belle and BaBar collaborations are showing a tension with the SM predictions in $R_{K^{(*)}}$, which might call for an explanation from new physics. In this work, we examine this tension in the type-III two-Higgs doublet models. We focus on the contributions of charged Higgs boson to the observable(s) $R_{K^{(*)}}$ and other rare processes $ΔM_q$ ($q=s,d$), $B o X_s γ$ $B_s o μ^+ μ^{-}$ and $B_q o X_s μ^+ μ^{-}$, which are governed by the same effective Hamiltonian. It is found that regions of large $ anβ$ and light charged Higgs mass $m_{H^\pm}$ can explain the measured value of $R_{K^{(*)}}$ and accommodate other B physics data as well. In contrast, the type-II two-Higgs doublet model can not.

연구 동기 및 목표

• 관측된 $R_{K^{(*))}$ 이４ 이상현상을 설명하기 위해, 표준모형에서의 $2.6\sigma$ 편차를 가진 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 붕괴에서의 편차를 설명한다.
• 유형-III 2HDM가 $R_{K^{(*)}}$, $B_s \to \mu^+\mu^-$, 그리고 기타 희귀한 $b \to s\mu^+\mu^-$ 과정을 동시에 수용할 수 있는지 테스트한다.
• 유형-II 2HDM가 $R_{K^{(*))}$ 이４ 이상현상을 설명하지 못하는 데 반해, 유형-III 2HDM의 타당성을 비교한다.
• 음성 $C_9^\mu \sim -1$을 유도하는, 특히 가벼운 $m_{H^\pm}$와 큰 $\tan\beta$를 포함한 매개변수 영역을 규명한다. 이는 데이터와 일치한다.

제안 방법

• 유형-III 2HDM에서 $b \to s\mu^+\mu^-$ 전이에 대한 효과적 해밀토니안을 구성하며, 음성 힉스 펜그린 및 상자 도형 기여를 포함한다.
• 음성 힉스 및 페르미온 결합을 포함한 1-루프 도형을 통해 윌슨 계수 $C_9^\mu$와 $C_{10}^\mu$를 계산한다.
• 펜그린 및 상자 진폭을 평가하기 위해 $f_i(x,y)$ 및 $g_j(x,y)$ 함수를 사용하며, $x = m_b^2/m_{H^\pm}^2$, $y = m_s^2/m_{H^\pm}^2$로 정의한다.
• $R_{K^{(*)}}$, $\Delta M_s$, $\Delta M_d$, $B \to X_s\gamma$, $B_s \to \mu^+\mu^-$, $B_q \to X_s\mu^+\mu^-$ 관측량에 대한 전반적인 피팅을 수행한다.
• 전자약 정밀도 시험, 힉스 신호 강도, 및 맛 변화 중성미소류(FCNC)에 의한 제약 조건을 적용한다.
• LHCb, Belle, BaBar의 실험 데이터와 비교하며, 특히 $R_{K^{(*))}$ 및 $R_{B_s}$에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유형-III 2HDM는 다른 $B$-물리 제약 조건을 위반하지 않으면서 음성 $C_9^\mu$를 가진 채로 $R_{K^{(*))}$ 이４ 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 $m_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 평면에서 $R_{K^{(*))}$ 데이터를 재현할 수 있는 타당한 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ3 왜 유형-III 2HDM는 $R_{K^{(*))}$ 이４ 이상현상을 설명하는 데 성공하는 반면, 유형-II 2HDM는 실패하는가?
• RQ4 유형-III 2HDM에서 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $R_{B_s}$에 대한 음성 힉스 기여는 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 모형은 단일한 새로운 물리 섹터를 통해 $P_5'$ 이상현상과 $R_{K^{(*))}$ 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 음성 $C_9^\mu \sim -1$을 생성하기 위해 큰 $\tan\beta$와 가벼운 이중 레프톤 힉스 질량 $m_{H^\pm}$가 필요하며, 이는 표준모형에서의 $4.3\sigma$ 편차와 일치한다.
• 유형-III 2HDM는 $R_{K^{(*)}} = 0.745^{+0.090}_{-0.074}$ 및 $R^{\rm low}_{K^*} = 0.660^{+0.110}_{-0.070}$를 측정된 값의 $1\sigma$ 범위 내에서 성공적으로 설명한다.
• 모형은 $R_{B_s} \sim 0.9$로 예측하며, 이는 표준모형 값 이하이며 $B_s \to \mu^+\mu^-$에서 관측된 $10\%$의 부족함과 일치한다.
• 유형-II 2HDM는 맛 변화 결합과 $Z$-펜그린 억제로 인해 $R_{K^{(*))}$ 이４ 이상현상을 설명할 수 없다. 반면 유형-III 모형은 이를 성공적으로 설명한다.
• 매개변수 $\tan\beta \sim 10$ 및 $m_{H^\pm} \lesssim 100\,{\rm GeV}$일 때, $\Delta M_s$, $\Delta M_d$, $B \to X_s\gamma$, $B_q \to X_s\mu^+\mu^-$와도 일치한다.
• 유형-III 2HDM의 효과적 해밀토니안은 큰 $\tan\beta$와 가벼운 $m_{H^\pm}$에 의해 유도되는 $Z$- 및 $\gamma$-펜그린 도형을 통해 $H^\pm$ 교환를 통해 $C_9^\mu \sim -1$을 생성한다.