[논문 리뷰] Snowmass White Paper: Flavor Model Building

Wolfgang Altmannshofer, Jure Zupan|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Computational Physics and Python Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 스노마스 화이트 페이퍼는 표준모형의 풍미 구조를 다루고 정밀 풍미 관측을 통해 새로운 물리학을 탐색하는 데 핵심적인 프레임워크로 풍미 모델 구축을 검토한다. $b\to s\mu\mu$, $b\to c\tau\nu$, $(g-2)_\mu$ 이상현상은 새로운 물리학의 징후로 간주되며, $Z'$, 렙토쿠아크, ALPs와 같은 타당한 모델들은 LHC 또는 향후 콘서터에서 접근 가능한 새로운 상태를 예측한다.

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass process, we summarize the role flavor model building plays in the quest for new physics. We review approaches to address the non-generic flavor structure of the Standard Model and discuss how new physics models can be made compatible with the stringent constraints from flavor changing processes that indirectly probe very high scales. We also give an overview of the persistent anomalies in B decays and the anomalous magnetic moment of the muon and some of their most popular new physics explanations.

연구 동기 및 목표

• 관측된 $B$ 붕괴의 이상현상과 뮤온의 비정상 자기모멘트에 비추어 새로운 물리학 탐색을 이끄는 풍미 모델 구축의 역할을 분석하는 것.
• 엄격한 풍미 제약 조건을 만족하면서도 표준모형의 계층적인 쿼크 및 렙톤 질량을 설명하는 UV 완전 모델을 구축하는 과제를 다루는 것.
• 특히 $Z'$, 렙토쿠아크, 또는 ALPs를 포함한 새로운 물리학 모델이, 풍미 위반 제약을 위반하지 않으면서도 $(g-2)_\mu$ 이상현상과 $B$-물리학 이상현상을 동시에 설명할 수 있는지 탐색하는 것.
• 복합 힉스, 추가 차원, 저에너지 초대칭과 같은 새로운 물리학 메커니즘과의 풍미 구조 및 자연성 간의 상호작용을 검토하는 것.
• 직접 발견 없이도 풍미 일관성 있는 모델 구축에서 유도되는 실현 가능한 실험적 접근이 가능한 새로운 물리학 시나리오를 식별하는 것.

제안 방법

• 고차원 연산자로 억제되는 스케일 $\Lambda$에 의해 기술되는 새로운 물리학 효과를 기술하기 위해 유효장이론(EFT)을 활용하며, $\mathcal{L}_{\text{EFT}} = \mathcal{L}^{\text{SM}} + \sum_i \frac{1}{\Lambda^{d-4}} \mathcal{C}_i \mathcal{O}_i^{d>4}$.
• 풍미 위반 중성미자 전이 및 렙톤 풍미 위반을 억제하기 위해 최소 풍미 위반(MFV) 원칙과 비이상적인 $U(1)_X$ 게이지 대칭을 적용한다.
• 내부 선에서 쿼리탈리티 전환을 겪는 $(g-2)_\mu$에 대한 순환 기여를 분석하며, 가벼운 $Z'$ (질량 ~100 MeV)와 더 무거운 상태(수 테바볼트) 사이를 구분한다. 더 무거운 상태의 경우 큰 쿼리탈리티 전환을 요구한다.
• $Z'$, 렙토쿠아크, 축상 유사 입자(ALPs)를 풍미 위반 및 풍미 보존 새로운 물리학의 매개체로 평가하며, $\mu \to e\gamma$ 및 $B$ 붕괴 데이터에 의해 제약을 받는다.
• 강한 CP 문제를 해결하고 풍미 계층을 생성하는 데 기여하는 전역 대칭과 허위-나무보드존 보손(Pseudo-Nambu-Goldstone bosons, 예: QCD 축상 입자)의 영향을 고려한다.
• 예측된 새로운 물리학 스케일을 실험적 제약과 비교하여 모델의 현상학적 타당성을 평가하며, 특히 $\mu \to e\gamma$에서 유도된 $\Lambda_{12} \gtrsim 3600$ 테바볼트의 제약을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 $b\to s\mu\mu$ 및 $b\to c\tau\nu$ 붕괴의 이상현상은 풍미 제약 조건과 호환되는 새로운 물리학 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ2 $(g-2)_\mu$ 이상현상과 $B$-물리학 이상현상을 동시에 설명할 수 있는 실현 가능한 새로운 물리학 시나리오—예: $Z'$, 렙토쿠아크, 또는 ALPs—는 무엇인가?
• RQ3 풍미 대칭과 정렬 메커니즘이 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명하는 모델에서 렙톤 풍미 위반을 어떻게 억제하는가?
• RQ4 B-물리학 이상현상과 $(g-2)_\mu$ 이상현상에서 유도되는 새로운 물리학 스케일은 얼마이며, LHC 또는 향후 콘서터에서 탐지 가능할 수 있는가?
• RQ5 복합 힉스, 추가 차원, 또는 저에너지 초대칭과 같은 UV 완전 모델은 풍미 위반 제약을 피하기 위해 비표준적인 풍미 구조를 어떻게 필수적으로 필요로 하는가?

주요 결과

• $b\to s\mu\mu$ 및 $b\to c\tau\nu$ 이상현상과 $(g-2)_\mu$ 불일치는, 뮤온 자기모멘트에 대해 단일 새로운 물리학 기여로 설명된다고 가정할 경우 약 15 테바볼트의 새로운 물리학 스케일을 시사한다.
• 질량 ~100 MeV인 가벼운 $Z'$ 보손이 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 통해 결합될 경우, 풍미 정렬 덕분에 $\mu \to e\gamma$ 제약을 위반하지 않으면서 $(g-2)_\mu$를 설명할 수 있다.
• 내부 뮤온 선에서 쿼리탈리티 전환이 발생하는 경우, 새로운 물리학 스케일은 약 100 MeV로 억제되어, 이러한 $Z'$ 모델은 고강도 실험에서 매우 검증 가능하다.
• 반대로, 새로운 물리학 선에서 쿼리탈리티 전환이 발생하는 모델은 렙토쿠아크 또는 초대칭 시나리오에서처럼 수 테바볼트의 질량을 가진 새로운 상태가 필요하며, 이는 필요한 $(g-2)_\mu$ 기여를 생성한다.
• $\mu \to e\gamma$ 신호가 관측되지 않음으로써, 풍미 위반 새로운 물리학 스케일은 약 3600 테바볼트를 초과해야 하며, 이는 실현 가능한 모델에서 정밀한 풍미 정렬 또는 대칭 보호가 필요함을 시사한다.
• 많은 실현 가능한 모델—예: $Z'$, 렙토쿠아크, 또는 ALPs를 포함한 모델—은 현재 이상현상들이 확인된다면 LHC 또는 차세대 콘서터에서 접근 가능한 새로운 상태를 예측한다.