[논문 리뷰] TeV-scale vector leptoquark from Pati-Salam unification with vectorlike families

Syuhei Iguro, Junichiro Kawamura외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 110인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 벡터형 가족을 갖는 파티-살람 대Unified 이론을 제안하여, 벡터형 페르미온 혼합을 통해 KL→μe 붕괴에서 엄격한 편미분 제약를 피하면서 TeV 스케일의 벡터 렙토쿼크를 실현한다. 이 모형은 오직 0.2%의 미세조정만으로 b→sμμ 비정상 현상을 설명하며, 추가 힉스 이중체의 기여로 상당한 중성 메손 혼합을 예측하고, 향후 μ→eγ 및 μ-e 변환 실험에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

In this paper, we show an explicit way to realize a TeV-scale vector leptoquark from the Pati-Salam (PS) unification with extra vectorlike families. The leptoquark mass is constrained to be heavier than PeV-scale by the measurement of a flavor violating kaon decay, $K_L o \mu e$, in conventional models. This strong constraint can be avoided by introducing vectorlike families consistently with the quark and lepton masses and CKM and PMNS matrices. The other flavor violating processes are also suppressed. In this model, the vector leptoquark can be sufficiently light to explain the recent $b o s\mu\mu$ anomaly, while the $b o c au u$ anomaly is difficult to be explained due to the strong constraints from the $Z^\prime$ boson and vectorlike quark searches at the LHC. When the $b o s\mu\mu$ anomaly is explained, we show that $\mathcal{O}({0.2})$ % tuning is required in the fermion matrix, the future experiments in $\mu o e\gamma$ and $\mu$-$e$ conversions will cover the most available parameter space, and sizable neutral meson mixings, induced by the extra Higgs doublets, are unavoidable.

연구 동기 및 목표

• 벡터형 페르미온을 갖는 파티-살람 GUT 모형을 구축하여 TeV 스케일의 벡터 렙토쿼크를 안정화한다.
• 기존 모형에서 일반적으로 TeV 스케일의 렙토쿼크를 배제하는 강력한 KL→μe 붕괴 제약을 피한다.
• LHCb 데이터에서 관측된 b→sμμ 비정상 현상을 설명하면서도 다른 편미분 및 전자기적 대칭 제약과 일치한다.
• 동일한 프레임워크 내에서 b→cτν 비정상 현상을 설명할 수 있는지 평가한다.
• 향후 μ→eγ 및 μ-e 변환 실험에서 관측 가능한 서명, 예를 들어 증폭된 μ→eγ 및 μ-e 변환 확률, 상당한 중성 메손 혼합을 예측한다.

제안 방법

• CKM 및 PMNS 행렬과 일관되게 페르미온 질량과 혼합을 생성하기 위해 벡터형 가족을 구현한다.
• 고차원 연산자와 재규격화군 진동을 사용하여 고에너지 스케일에서 양자역학적 결합 상수의 통합을 달성한다.
• 추가 힉스 이중체를 도입하여 중성미온 질량을 생성하고, 상당한 중성 메손 혼합을 유도한다.
• 자발적 대칭 붕괴를 통해 표준모형 게이지 군으로의 SU(4)C×SU(2)L×SU(2)R 게이지 군을 구성한다.
• 편미분을 억제하기 위해 복소수 위상이 포함된 페르미온 질량 행렬 매개변수화를 사용한다.
• 입력 매개변수에 대한 민감도를 정량화하기 위해 ΔFT 매개변수를 활용한 미세조정 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터형 가족을 갖는 파티-살람 GUT 모형에서 TeV 스케일의 벡터 렙토쿼크가 강력한 편미분 제약을 유발하지 않고 일관되게 실현될 수 있는가?
• RQ2 낮은 질량의 렙토쿼크를 갖는 모형에서 KL→μe 붕괴 확률이 어떻게 억제될 수 있으며, 그 이유는 실험적 제약이 매우 엄격하기 때문이다?
• RQ3 이 모형에서 벡터 렙토쿼크가 b→sμμ 비정상 현상을 어느 정도 설명할 수 있으며, 그 과정에서 요구되는 조정 수준은 어떠한가?
• RQ4 Z′ 보손 및 벡터형 쿼크 탐색 결과로부터 제약을 받는 상황에서, b→cτν 비정상 현상도 이 프레임워크 내에서 설명 가능한가?
• RQ5 μ→eγ 및 μ-e 변환에서 예측되는 신호는 무엇이며, 이는 모형의 매개변수 공간을 어떻게 탐색하는가?

주요 결과

• 모형은 페르미온 질량 행렬에서 약 ~0.2%의 미세조정만으로 b→sμμ 비정상 현상을 설명하는 TeV 스케일의 벡터 렙토쿼크를 실현한다.
• 벡터형 페르미온 혼합에 의해 유도된 상쇄 효과로 인해 KL→μe 붕괴 확률이 실험적 제약 이하로 억제된다.
• LHC에서 Z′ 보손 및 벡터형 쿼크를 탐색한 결과로부터 강력한 제약이 존재하므로, b→cτν 비정상 현상은 이 프레임워크에서 설명하기 어려운 편이다.
• 향후 μ→eγ 및 μ-e 변환 실험은 모형의 타당한 매개변수 공간의 대부분을 커버할 수 있다.
• 추가 힉스 이중체의 기여로 상당한 중성 메손 혼합(|CBd| ≈ 0.94, |CBs| ≈ 1.03)은 피할 수 없다.
• 베이킹 포인트는 BR(B→ℓν), BR(KL→eμ), BR(μ→eγ) 등 모든 현재 실험 제약을 충족하며, ΔFT ≈ 0.1%이다.