[논문 리뷰] Rare B decays in the flip SU(5) Model

Tianjun Li, Dimitri V. Nanopoulos외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 테바 스케일의 벡터-형 등각 쿼크를 지닌 Flipped SU(5)×U(1)X 모델에서 희귀 B 붕괴를 조사하며, 이러한 쿼크가 $\bar{b}sZ$ 상호작용을 1차적으로 유도하고 $B\to X_s\gamma$ 및 $B\to X_s\ell^+\ell^-$에서 비탈리티 분리 효과를 일으켜 $B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$의 분해비율을 $(4\sim 5)\times 10^{-8}$까지 끌어올린다. 이는 LHCb에서 검증 가능할 수 있다.

ABSTRACT

In the testable Flipped $SU(5) imes U(1)_X$ model with TeV-scale vector-like particles from F-theory model building dubbed as the flip SU(5) model, we study the vector-like quark contributions to B physics processes, including the quark mass spectra, Feynman rules, new operators and Wilson coefficients, etc. We focus on the implications of the vector-like quark mass scale on B physics. We find that there exists the $\bar{s}bZ$ interaction at tree level, and the Yukawa interactions are changed. Interestingly, different from many previous models, the effects of vector-like quarks on rare B decays such as $B o X_sγ$ and $B o X_s\ell^+\ell^-$ do not decouple in some viable parameter space, especially when the vector-like quark masses are comparable to the charged Higgs boson mass. Under the constraints from $B o X_sγ$ and $\ B o X_s\ell^+\ell^-$, the latest measurement for $B_s o μ^+μ^-$ can be explained naturally, and the branching ratio of $B_s o \ell^+\ell^-γ$ can be up to $(4\sim5) imes10^{-8}$. The non-decouling effects are much more predictable and thus the \fsu5 model may be tested in the near future experiments.

연구 동기 및 목표

• TeV 스케일의 벡터-형 등각 쿼크가 $φ$-SU(5) 모델에서 희귀 B 붕괴에 미치는 영향을 연구하기 위해.
• 모델에서 쿼크 질량 스펙트럼, 피카르드 규칙, 그리고 효과적 해밀토니안 연산자를 유도하기 위해.
• 벡터-형 등각 쿼크 질량이 희귀 B 붕괴의 윌슨 계수와 분해비율에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• $B\to X_s\gamma$, $B\to X_s\ell^+\ell^-$, 및 $B_s\to\mu^+\mu^-$에서의 실험적 제약 조건과 모델을 대조하기 위해.
• 특히 LHCb를 포함한 향후 LHC 실험에서의 모델의 예측 가능성과 검증 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• $φ$-SU(5) 모델의 확장된 게이지 및 유카와 구조에서 쿼크 질량 스펙트럼과 피카르드 규칙을 유도하기 위해.
• 비단위 5×5 쿼크 혼합으로 인해 새로운 연산자 $O_9'$ 및 $O_{10}'$를 도입하여 저에너지 효과적 해밀토니안을 구성하기 위해.
• 벡터-형 등각 쿼크 및 망각 보손 기여를 포함하여, 루프 함수 $A(x)$, $B(x)$, $C(x)$ 등을 사용해 매칭 스케일에서 윌슨 계수를 계산하기 위해.
• $B\to X_s\gamma$, $B\to X_s\ell^+\ell^-$, 및 $B_s\to\mu^+\mu^-$에서의 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제한하기 위해.
• 유효한 매개변수 조합 하에서 $B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$의 분해비율을 계산하기 위해 수치 분석을 수행하기 위해.
• 예측 결과를 실험적 상한과 비교하고, LHCb에서 관측 가능한 신호 영역을 식별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $φ$-SU(5) 모델이 벡터-형 등각 쿼크로 인해 1차적으로 $ar{b}sZ$ 상호작용을 생성하는가?
• RQ2 벡터-형 등각 쿼크 질량이 희귀 B 붕괴의 윌슨 계수에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 망각 보손 질량과 유사할 경우 어떻게 되는가?
• RQ3 모델이 특정 매개변수 조합 하에서 최신 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 측정치를 실험 제약 조건 내에서 설명할 수 있는가?
• RQ4 모두의 제약 조건을 통합한 상황에서 $B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$의 최대 예측 분해비율은 얼마인가?
• RQ5 희귀 B 붕괴에서의 비탈리티 분리 효과가 LHCb 실험에서 실험적으로 검증 가능할 정도로 충분히 예측 가능한가?

주요 결과

• $φ$-SU(5) 모델은 벡터-형 등각 쿼크로 인해 1차적으로 $ar{b}sZ$ 상호작용를 가지며, 이는 효과적 해밀토니안의 구조를 변화시킨다.
• 벡터-형 등각 쿼크 기여는 그 질량이 망각 보손 질량과 유사할 경우, $B\to X_s\gamma$ 및 $B\to X_s\ell^+\ell^-$와 같은 희귀 B 붕괴에서 비탈리티 분리 효과를 보인다.
• 특정 매개변수 조합 하에서 모델은 최신 실험 측정치인 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 분해비율을 자연스럽게 설명할 수 있다.
• 유효한 매개변수 공간에서 $B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$의 분해비율은 $(4\sim 5)\times 10^{-8}$까지 도달할 수 있다.
• 비탈리티 분리 효과는 매우 예측 가능하며, 향후 LHCb 실험에서 탐지 가능할 수 있다. 특히 분해비율이 $10^{-8}$를 초과할 경우 더욱 그렇다.
• 모델은 랑도 극한을 피하고 비단위 5×5 쿼크 혼합 행렬을 지니며, 표준 모형의 2HDM 및 기타 확장 모델과 구별된다.