[논문 리뷰] Saga of the two GUT leptoquarks in flavor universality and collider searches

Ilja Doršner, Svjetlana Fajfer외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 B 메손 붕괴에서 관측된 렙톤 유니버설리티 위반, 특히 R(K⁎)와 R(D⁎])에서의 편차를 설명하기 위해 두 개의 경량 스칼라 렙톤쿠아크 S₃와 R̃₂를 제안한다. S₃ 렙톤쿠아크는 제2 및 제3 쿼르크 및 렙톤에 대해 왼손성 결합을 통해 두 이상 현상 모두를 매개하며, R̃₂ 상태는 SU(5) GUT에서 게이지 결합 통합을 유지하고 엄격한 플레이버 제약 조건을 충족시킨다. 이 모형은 B → K̄μ⁺μ⁻ 붕괴에 대해 증가된 민감도를 예측하며, 고질량 τ-레프톤 쌍 생성 및 렙톤쿠아크 쌍 생성을 통해 LHC에서의 τ-레프톤 결합이 큰 경우 검증 가능하다.

ABSTRACT

We introduce two light scalar leptoquarks to accomodate the recent hints of lepton universality violation in $B$ meson decays. Scalar leptoquark $S_3 (\overline{3},3,1/3)$ with left-handed couplings to 2nd and 3rd generations of charged leptons and down-type quarks addresses both $R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$. The second state, $ ilde R_2(3,2,1/6)$, ensures compatibility with additional flavor constraints and secures unification of gauge couplings in the context of an $SU(5)$ GUT model without any conflict with the stringent limits from observed proton stability. We present the global fit of the flavor couplings and identify $B o K \bar u u$ as the most sensitive channel to probe this model. Large couplings to $ au$ leptons are confronted with the experimental searches for $ au$ final states at the Large Hadron Collider. These searches comprise a study of decay products of the leptoquark pair production, as well as, and more importantly, an analysis of the high-mass $ au au$ final states.

연구 동기 및 목표

• 관측된 B 메손 붕괴 이상 현상, 특히 R(K⁎)와 R(D⁎])를 설명하기 위해 렙톤 유니버설리티 위반을 기반으로 한다.
• SU(5) GUT 프레임워크 내에서 게이지 결합 통합을 유지하는 타당한 표준모형 확장 구축하기.
• 희귀 붕괴 및 희귀 K 메손 과정을 포함한 엄격한 플레이버 물리 제약 조건을 충족시키기.
• 모델을 시험하기 위한 가장 민감한 콜라이더 채널을 특정하기, 특히 LHC에서의 경우.
• 현재 및 향후 LHC 탐색 결과를 고려할 때 τ 렙톤에 대한 큰 결합의 타당성 평가하기.

제안 방법

• S₃(3̄,3,1/3)는 μ, τ 렙톤과 d, s 쿼크에 대해 왼손성 결합을 가지며, R̃₂(3,2,1/6)는 플레이버와 통합을 안정화시키는 두 개의 스칼라 렙톤쿠아크를 도입한다.
• 이 렙톤쿠아크들을 포함한 최소한의 SU(5) GUT 모형을 구성하여, 양성자 붕괴 한계와 충돌하지 않도록 하며 게이지 결합 통합을 확보한다.
• 모델 매개변수를 제약하기 위해 R(K⁎], R(D⁎]), 희귀 K 및 B 붕괴를 포함한 플레이버 관측량의 글로벌 피팅을 수행한다.
• S₃의 기여로 인해 증가된 기여로 인해 B → K̄μ⁺μ⁻가 모델을 시험하기 위한 가장 민감한 플레이버 채널임을 규명한다.
• 레프톤쿠아크 쌍 생성 및 단일 렙톤쿠아크 붕괴에서의 고질량 ττ 최종 상태에 초점을 맞춘 LHC 서명 분석을 수행한다.
• 특히 τ 렙톤에 대한 큰 결합의 맥락에서, 기존의 LHC 탐색 결과를 활용하여 모델의 매개변수 공간을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 렙톤쿠아크 모형은 플레이버나 통합 제약 조건을 위반하지 않으면서도 R(K⁎)와 R(D⁎]) 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 S₃와 R̃₂의 특정 양자수와 결합이 양성자 안정성과 SU(5) 게이지 결합 통합과의 호환성을 어떻게 보장하는가?
• RQ3 모델 예측에 가장 민감한 플레이버 붕괴 채널은 무엇이며, LHC에서 탐색 가능한가?
• RQ4 모델의 주요 LHC 서명은 무엇이며, 특히 고질량 ττ 최종 상태와 렙톤쿠아크 쌍 생성에서 어떤가?
• RQ5 현재의 LHC 탐색 결과, 특히 τ 렙톤에 대한 큰 결합의 맥락에서, τ 렙톤 최종 상태 탐색이 모델의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• S₃ 렙톤쿠아크는 μ 및 τ 렙톤과 다운형 쿼크에 대해 왼손성 결합을 가지며, 일관된 프레임워크 내에서 R(K⁎]와 R(D⁎]) 이상 현상을 성공적으로 설명한다.
• R̃₂ 렙톤쿠아크의 포함으로 인해 모형은 양성자 안정성과 SU(5) 게이지 결합 통합을 유지하는 데 성공한다.
• 글로벌 피팅 결과, S₃ 교환으로 인한 기여 증가로 인해 B → K̄μ⁺μ⁻가 모델을 시험하기 위한 가장 민감한 플레이버 채널임을 규명하였다.
• 큰 τ-레프톤 결합은 LHC 탐색 결과에 의해 제약을 받으며, 특히 고질량 ττ 최종 상태와 렙톤쿠아크 쌍 생성 채널에서 그러하다.
• 모형은 LHC에서 고질량 ττ 최종 상태에서 관측 가능한 신호를 예측하여, 향후 시험에 있어 이러한 채널이 핵심이 되며 중요하다.
• 플레이버 제약 조건과 콜라이더 서명 간의 상호작용를 고려할 때 현재 실험적 한계 하에서 모형은 타당성을 유지한다.