[논문 리뷰] Scalar diquark in t tbar production and constraints on Yukawa sector of grand unified theories

Nejc Košnik, Ilja Doršner외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하이퍼전하 4/3를 가진 색깔이 있는 스칼라 디쿼크(Δ)를 통해 토큰 쿼크의 전진-후행 비대칭성과 뮤온의 비정상 자기모멘트를 동시에 설명하는 해법을 제안한다. Δ가 엄격한 풍미 변화 중성미자 및 렙톤 풍미 위반 제약 조건을 만족하면서도 동시에 두 이상현상을 설명할 수 있음을 보이며, 560 GeV 이하의 선호되는 질량 창문과 대규모 통합 이론의 요하다 히에르지에이터에서 특정한 쌍극자 계층을 가짐을 밝힌다.

ABSTRACT

A colored weak singlet scalar state with hypercharge 4/3 is one of the possible candidates for the explanation of the unexpectedly large forward-backward asymmetry in $t \bar t$ production as measured by the CDF and D0 experiments. We investigate the role of this state in a plethora of flavor changing neutral current processes and precision observables of down-quarks and charged leptons. Our analysis includes tree- and loop-level mediated observables in the K and B systems, the charged lepton sector, as well as the $Z o b \bar b$ width. We perform a fit of the relevant scalar couplings. This approach can explain the $(g-2)_μ$ anomaly while tensions among the CP violating observables in the quark sector, most notably the nonstandard CP phase (and width difference) in the $B_s$ system cannot be fully relaxed. The results are interpreted in a class of GUT models which allow for a light colored scalar with a mass below 1 TeV.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 t\bar{t} 생성의 큰 전진-후행 비대칭성을 색깔이 있는 스칼라 디쿼크(하이퍼전하 4/3)를 통해 설명하기 위해.
• 디쿼크가 다운 쿼크와 렙톤을 포함한 풍미 변화 중성미자 과정에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 저에너지 정밀 관측량을 만족하면서도 뮤온의 비정상 자기모멘트 이상현상을 해결할 수 있는 디쿼크의 가능성 평가하기 위해.
• SU(5) 및 SO(10) 대규모 통합 이론의 맥락에서 디쿼크의 요하다 쌍극자 결합을 제약하기 위해.
• 실험 데이터에 대한 전반적 피팅을 통해 디쿼크 질량과 결합 상수의 허용 가능한 매개변수 공간을 결정하기 위해.

제안 방법

• 스칼라 디쿼크 Δ는 우측 수동의 업형 쿼크와 반대칭 요하다 쌍극자 행렬 $ g_{ij} $ 를 통해 결합하며, $ g_{ut} $ 는 t\bar{t} 생성 강화에 기여한다.
• 스케일 $ \mu = m_\Delta $ 에서 효과적 장 이론을 사용하여 트리 수준 및 루프 수준 기여를 $ D-\bar{D} $ 혼합, $ B_s $ 혼합, $ Z \to b\bar{b} $ 폭, 그리고 희귀 붕괴에서 평가한다.
• $ C=2 $ $ D-\bar{D} $ 혼합에 대한 효과적 해밀토니안은 $ \mathcal{H}^{\Delta C=2} \propto (g_{ut}g_{ct}^*)^2 h(m_\Delta^2/m_t^2) Q_6 $ 로 유도되며, $ Q_6 $ 는 네 쿼크 연산자이다.
• 뮤온의 비정상 자기모멘트는 $ Y_{\mu i} $ 결합을 통해 뮤온과 다운 쿼크에 결합하는 1루프 다이어그램을 통해 계산되며, $ a_\mu^{\rm new} \propto \sum_i |Y_{\mu i}|^2 m_\mu^2 / m_\Delta^2 $ 를 얻는다.
• 15개 자유도를 포함한 $ \chi^2 $ 전반적 피팅을 수행하여 $ Y $ 행렬을 제약한다.
• 디제트 및 단일 토큰 생성 데이터로부터 $ |g_{uc}| $ 를 제약하며, LHC에서의 제2세대 렙톤쿼크 데이터는 $ m_\Delta \gtrsim 380 $ GeV 의 낮은 질량 한계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이퍼전하 4/3를 가진 색깔이 있는 스칼라 디쿼크가 동시에 t\bar{t} 생성의 큰 전진-후행 비대칭성과 뮤온의 비정상 자기모멘트를 설명할 수 있는가?
• RQ2 D-\bar{D} 혼합과 테바트론의 디제트/단일 토큰 데이터로부터 디쿼크의 채움 쿼크 및 채움 쿼크에 대한 결합에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 렙톤 풍미 위반과 풍미 변화 중성미자 과정은 디쿼크의 렙톤과 다운 쿼크에 대한 요하다 결합을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 결합된 실험 제약 조건을 고려할 때, SU(5) 및 SO(10) 대규모 통합 이론에서 디쿼크의 타당한 질량 창문은 무엇인가?
• RQ5 낮은 질량의 디쿼크 존재 조건에서, 다운 쿼크 및 렙톤 셸드의 대칭 요하다 절차는 호환 가능한가?

주요 결과

• 퍼티브리티 조건에 의해 $ m_\Delta < 560 $ GeV 이며, LHC 데이터에 의해 $ m_\Delta \gtrsim 380 $ GeV 로 제약되어 좁은 발견 창문이 도출된다.
• 전반적 $ \chi^2 $ 피팅 결과 $ \chi^2_{\rm min} = 2.5 $ (15도의 자유도), 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, $ a_\mu $ 이상현상은 완전히 해결된다.
• $ Y_{\mu i} $ 의 1σ 허용 범위는 제약 조건에 따라 $ Y_{\mu d} $, $ Y_{\mu s} $, 또는 $ Y_{\mu b} $ 가 순서 1 수준까지 가능하며, $ Y_{\mu e} $ 는 강하게 억제된다.
• $ D-\bar{D} $ 혼합 제약 조건에 의해 $ |g_{ct}| $ 는 단계 가정과 무관하게 2σ 신뢰수준에서 $ < 0.0038 $ 로 제약된다.
• 디제트 및 단일 토큰 데이터에 의해 $ |g_{uc}| $ 가 제약되며, 테바트론은 $ m_\Delta $–$ |g_{uc}| $ 평면의 큰 영역을 배제한다.
• 다운 쿼크 및 렙톤 셸드에서 대칭 요하다 절차는 낮은 질량의 디쿼크 시나리오와 호환되지 않으며, 저에너지 물리학에서 분리되기 충분히 무거운 $ m_\Delta $ 가 필요하다.