[論文レビュー] A comparative study of the $S_1$ and $U_1$ leptoquark effects at IceCube

Ilja Doršner, Svjetlana Fajfer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 41被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、$S_1$ および $U_1$ レプトクォークモデルが、IceCubeの最新のニュートリノデータを説明する上で、$χ^2$ フィットを用いてレプトクォーク誘導および標準模型の事象を統合することによって比較されている。両モデルともデータへの適合性に類似した不適切さを示すが、それぞれ異なる物性的要因によるものであり、LHCおよび低エネルギーのフラバー物理学からの制約についてもさらに分析されている。

ABSTRACT

We study the phenomenology of two leptoquarks, the Standard Model $SU(2)$ singlets $S_1$ and $U_1$, with regard to the latest experimental data from the IceCube Collaboration. We consider a scenario when scalar (vector) leptoquark $S_1$ ($U_1$) couples exclusively to the down quark and the neutrinos (charged leptons) of all flavors. The couplings of $S_1$ ($U_1$) to the up-type quarks and the charged leptons (neutrinos) are in turn uniquely determined via $SU(2)$ symmetry. We add, in both cases, the leptoquark induced events to the Standard Model ones and perform a $\chi^2$ fit to quantify the overall agreement with the IceCube data. We further analyse whether the inferred allowed parameter space is consistent with the latest LHC data and various low-energy flavor physics measurements. We find that both leptoquarks exhibit the same level of inadequacy in explaining the current IceCube data but for different reasons. Our study offers an up-to-date analysis for these two leptoquarks in view of the latest experimental measurements.

研究の動機と目的

• 最近のIceCubeニュートリノ観測を説明するための$S_1$ および $U_1$ レプトクォークの妥当性を評価すること。
• レプトクォーク寄与が、IceCubeの高エネルギーニュートリノデータに対する標準模型のフィットを改善できるかどうかを特定すること。
• 推定されたレプトクォークのパrameter空間がLHCデータおよび低エネルギーのフラバー観測と整合しているかどうかを検証すること。
• 各レプトクォークモデルにおいてIceCubeデータへのフィット不良の背後にある根本的要因を特定すること。

提案手法

• IceCubeが観測したニュートリノフラックスと、標準模型およびレプトクォーク誘導事象の合算寄与を比較するための$χ^2$ フィットを実行する。
• スカラー$S_1$ がすべてのフレーバーのニュートリノおよびダウンクォークにのみカップルすると仮定する。一方、ベクトル$U_1$ はダウンクォークおよび電磁レプトンにカップルする。
• $SU(2)$ 対称性を用いて、$S_1$ および $U_1$ がアップタイプクォークおよび反対のフェルミオン種に与えるカップリングを固定する。
• IceCubeにおける高エネルギーニュートリノ相互作用のイベントレート計算に、レプトクォーク寄与を含める。
• 得られたフィット品質を標準模型単体のものと比較し、改善の有意性を評価する。
• LHCの探索および低エネルギーのフラバー物理学測定からの制約と照合して、許容可能なパラメータ空間を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $S_1$ レプトクォークモデルは、標準模型と比較してIceCubeの高エネルギーニュートリノデータへのフィットを改善できるか？
• RQ2 $U_1$ レプトクォークモデルも同様に、観測されたIceCubeデータを説明できるか？
• RQ3 両モデルにおけるフィット品質の悪さの背後にある、それぞれの異なる理由は何か？
• RQ4 IceCubeが許容するパラメータ空間は、既存のLHCおよび低エネルギーのフラバー物理学データと整合しているか？

主な発見

• 両方の$S_1$ および $U_1$ レプトクォークモデルは、現在のIceCubeデータを説明する上で、同程度の不適切さを示している。
• データへの適合不良は、同じ全体的なフィット品質を示すにもかかわらず、それぞれのモデルで異なる物理的メカニズムに起因している。
• $S_1$ の許容パラメータ空間は、とりわけ希少なレプトンフラバー非保存過程を含む、低エネルギーのフラバー観測によって制約を受ける。
• $U_1$ モデルは、特にベクトルレプトクォーク領域において、LHC探索による強い制約を受ける。
• 統合的分析により、両モデルともIceCubeデータへのフィットにおいて、標準模型に対して顕著な改善を示さないことが明らかになった。
• 本研究は、最新の実験的結果を踏まえた$S_1$ および $U_1$ レプトクォークの包括的かつ最新の評価を提供している。