[论文解读] A simple model to explain the observed muon sector anomalies and small neutrino masses

Lobsang Dhargyal|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出对标准模型的最小扩展，包含一个新的U(1)F规范对称性、重的矢量型轻子、一个轻子偶素、一个惰性希格斯双重态以及右手中微子，以同时解释μ子g-2异常、R(K*)和P5'异常，并通过自色机制生成小的中微子质量，同时满足来自B介子衰变和味物理的严格实验约束。

ABSTRACT

Since its inception, no decisive departure from the predictions of Standard Model (SM) has been reported. But recently various experiments have observed few hints of possible departure from SM predictions in lepton flavor universality observables such as $R_{K^{(*)}}$, $P_{5}^{'}$, muon (g-2), $R(D^{(*)})$ etc. Many of these observable where deviation from SM in the range of (2-4)$σ$ were observed are related to muon ($μ$) lepton. So these deviations may be some hint of a possible New Physics (NP) in the muon sector. In this work we extend the SM by introducing two SM singlet heavy charged leptons ($F_{e},\ F_μ$) whose left handed components are charged under a new $U(1)_{F}$ gauge symmetry, one color triplet lepto-quark ($ϕ_{Q}$) doublet under $SU(2)_{L}$, one inert Higgs doublet ($ϕ_{l}$), three very heavy Majorana neutrinos ($N_{iR}$), all of which are odd under a $Z_{2}$ discrete symmetry. One more scalar ($ϕ$) charged only under the $U(1)_{F}$ whose VEV give masses to the $U(1)_{F}$ gauge boson as well as the heavy leptons. With these new particles, we show that the observed anomalies in the muon sector as well as small neutrino masses can be explained with taking into account all the other experimental and theoretical constrains till date.

研究动机与目标

• 解释μ子(g-2)、R(K*)和P5'可观测量中长期存在的异常，这些异常表明μ子 sector 中存在新物理。
• 通过涉及重右手中微子的一圈自色机制生成小的中微子质量。
• 构建一个最小且无异常的模型，将这些现象统一于单一理论框架下，基于新的U(1)F规范对称性。
• 确保与来自B0-B̄0混合、b→sγ和Bs→μμ衰变的严格实验限制相容。
• 识别满足现有约束条件的可行参数区域，使模型能够解释观测到的偏离而不违反现有实验限制。

提出的方法

• 引入两个SM单态的重带电轻子（Fe, Fμ），其左手部分在新的U(1)F规范对称性下变换，其中Fμ与μ子耦合以解释(g-2)和R(K*)。
• 假设一个在SU(2)L下为三重态的轻子偶素ϕQ双重态，以及一个复的惰性希格斯双重态ϕl，二者在Z2对称性下为奇，以抑制树图级FCNC。
• 引入一个新标量ϕ，其在U(1)F下带荷，获得真空期望值（VEV），赋予U(1)F规范玻色子和重轻子质量。
• 引入三个重右手中微子（NiR），其与惰性希格斯双重态耦合，通过一圈自色机制生成马约拉纳中微子质量。
• 利用Fμ与ϕQ的箱图生成有效威尔逊系数C9^NP = -C10^NP ≈ -0.66，与R(K*)和P5'数据的全局拟合一致。
• 实施Z2对称性以保护最轻的惰性标量H0作为暗物质候选者，并确保味不变的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一模型能否同时解释μ子(g-2)中观测到的3.6σ偏差、R(K*)中的2.6σ异常以及P5'中的2.2σ异常？
• RQ2 如何在一环图中生成小的中微子质量，同时避免树图级味改变中性流？
• RQ3 哪些可行的参数区域满足来自Bs→μμ、B0-B̄0混合和b→sγ的严格约束？
• RQ4 该模型能否在不与其它精确电弱和味可观测量冲突的前提下解释观测到的μ子(g-2)异常？
• RQ5 最轻的惰性标量H0是否在此框架中是可行的暗物质候选者，且是否对遗迹密度有显著贡献？

主要发现

• 该模型在1σ水平下生成NP威尔逊系数C9^NP = -C10^NP ≈ -0.66，与R(K*)和P5'异常的全局拟合一致。
• 预测的Bs→μμ分支比为2.63×10⁻⁹，位于实验值（2.8⁺⁰.⁷₋₀.⁶×10⁻⁹）的1σ范围内，满足该过程的严格约束。
• 在μH=2mW时，b→sγ的贡献为|C7 + 0.24C8| ≈ 2.5×10⁻³，远低于2σ实验上限0.07，确保与数据相容。
• 该模型预测C_D̄D^NP ≈ 3.4×10⁻⁸ TeV⁻²，远在|C_D̄D^Exp| < 2.7×10⁻⁷ TeV⁻²的2σ边界之内。
• 通过自色机制生成的中微子质量约为0.04 eV，其汤川耦合|h₁₁|² ≈ 10⁻⁷，重马约拉纳质量标度约为~2.6×10⁷ GeV。
• 最轻的惰性标量H₀是可行的暗物质候选者，但由于解释μ子(g-2)所需的汤川耦合较大，其遗迹密度可忽略，与宇宙学约束一致。