[논문 리뷰] Are the B-anomalies evidence for heavy neutrinos?

Xiao-Gang He, G. Valencia|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 타입-I 시즈모델에서의 무거운 뉴트리노가 $b \to s\mu^+\mu^-$ 붕괴에서 $C_9$ 및 $C_{10}$ 윌슨 계수를 수정함으로써 $R_K$와 $R_{K^*}$에서 관측된 비정상성( anomalies)을 설명할 수 있는지 조사한다. 연구 결과, 비정상성을 설명하기 위해 $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ 수준의 큰 뮤온-무거운 뉴트리노 혼합 각도가 필요하며, 이는 렙톤 측정 불변 과정에 대한 글로벌 피팅 결과와 부합하지 않는다.

ABSTRACT

The existing anomalies appearing in decays of the form $b o s \ell^+ \ell^-$ constitute a possible hint for new physics. We point out that modifications to the SM results due to heavy neutrinos could account for the observed deviations while satisfying existing constraints from lepton flavor violating processes. The required mixing angle, however, is an order of magnitude larger than suggested by recent global fits to lepton flavor conserving processes. We frame our discussion in terms of a Type-I seesaw model, but it can be made more general.

연구 동기 및 목표

• 무거운 뉴트리노를 포함한 타입-I 시즈모델이 렙톤 측정 불변(LFV) 제약을 위반하지 않으면서 관측된 $b \to s\mu^+\mu^-$ 비정상성을 설명할 수 있는지 평가하기.
• 측정된 $R_K$ 및 $R_{K^*}$의 표준모형에서의 편차를 재현하기 위해 뮤온과 무거운 뉴트리노 사이의 혼합 각도를 결정하기.
• 이와 같은 모형이 $\mu \to e\gamma$ 및 $B \to \ell^+\ell^-$와 같은 희귀 붕괴에 대한 기존 실험 제약과 일치하는지 평가하기.
• 무거운 뉴트리노의 기여가 뮤온 $g-2$에 미치는 영향을 평가하고 관측된 비정상성과 비교하기.
• 특히 데이터가 선호하는 $C_9 \approx -C_{10}$ 패턴을 고려할 때, 글로벌 윌슨 계수 피팅 결과와의 대비를 분석하기.

제안 방법

• 세 개의 가벼운 뉴트리노와 $N \geq 2$개의 무거운 오른쪽 뉴트리노를 포함한 타입-I 시즈모델을 구성하며, $(\nu_L^c, \nu_R)$ 기저에서 뉴트리노 질량 행렬을 사용한다.
• 톱 쿼크와 무거운 뉴트리노를 포함한 박스 다이어그램을 통해 $b \to s\ell^+\ell^-$ 붕괴의 효과적 해밀토니안을 유도하고, $C_9$ 및 $C_{10}$에 대한 새로운 물리(NP) 기여를 계산한다.
• NP 기여를 다음과 같이 계산한다: $C^{NP}_{9}(M_W) = -C^{NP}_{10}(M_W) = -\frac{1}{4s_W^2} \sum_N U^{L*}_{\mu N}U^{L}_{\mu N} E(\lambda_t, \lambda_N)$, 여기서 $E$는 이나미-림 함수이다.
• 방사성 렙톤 붕괴($\ell \to \ell'\gamma$) 및 LFV $B$ 붕괴에 대한 제약을 효과적 라그랑지안 ${\cal L} \propto \sum_N U^{L*}_{\ell N}U^{L}_{\ell'N} F(\lambda_N)$ 를 통해 적용하며, 이때 $F$는 이나미-림 함수이다.
• 입자 데이터 북의 실험 제약을 활용하여 혼합 각도 $U^{L}_{\ell N}$을 제약하며, 특히 $\mu \to e\gamma$ 및 $B \to \mu^\pm e^\mp$에 중점을 둔다.
• 무거운 뉴트리노 루프에서 기여하는 $g-2$ 예측값을 관측된 뮤온 비례자기모멘트의 비정상성과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입-I 시즈모델에서의 무거운 뉴트리노가 LFV 제약을 위반하지 않으면서 관측된 $b \to s\mu^+\mu^-$ 비정상성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 글로벌 피팅의 1$\sigma$ 범위 내에서 $R_K$ 및 $R_{K^*}$ 비정상성을 재현하기 위해 필요한 뮤온-무거운 뉴트리노 혼합 각도 $|U^{L}_{\mu N}|$의 크기는 얼마인가?
• RQ3 이러한 무거운 뉴트리노에서 기여하는 뮤온 $g-2$ 예측값은 관측된 비정상성과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$ 수준의 필요 혼합 각도는 렙톤 측정 불변 과정에 대한 글로벌 피팅 결과와 일치하는가?
• RQ5 이 모형은 $R(D)$ 및 $R(D^*)$ 비정상성도 동시에 설명할 수 있는가, 아니면 추가적인 가벼운 뉴트리노가 필요할까?

주요 결과

• 글로벌 피팅에서 선호하는 범위인 $[-0.73, -0.48]$ 내에서 $C_{9\mu}^{NP} \approx -C_{10\mu}^{NP}$를 통해 $R_K$ 및 $R_{K^*}$ 비정상성을 재현할 수 있다.
• 무거운 뉴트리노 질량 $M_N = 2$ TeV일 경우 비정상성을 재현하기 위해 $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$의 혼합 각도가 필요하며, 이는 렙톤 측정 불변 과정에 대한 글로벌 피팅 결과에서 제안하는 것보다 약 10배 큰 값이다.
• 큰 혼합 각도 $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$는 뮤온 $g-2$에 대해 $a_\mu = -5.7 \times 10^{-10}$의 예측 변화를 유도하며, 이는 실험적 불확도 내에 있지만 관측된 비정상성보다 낮다.
• B-비정상성 피팅과 LFV 제약을 동시에 만족하는 매개변수 공간은 매우 좁으며, $U^{L}_{eN} = 0$일 경우 주로 $\tau \to \mu\gamma$에서 제약이 발생한다.
• 이 모형은 $R(D)$ 및 $R(D^*)$ 비정상성을 설명할 수 없으며, 다른 연구에서 제안한 바와 같이 추가적인 가벼운 뉴트리노가 필요하다.
• $|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$의 요구 조건은 최근의 글로벌 피팅 결과와 충돌하며, 이는 기존 데이터와의 긴장 상태를 시사한다.