[논문 리뷰] B-anomalies related to leptons and lepton flavour universality violation

Andreas Crivellin|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 B-메손 붕괴, 힉스 보손 붕괴 h→μτ, 그리고 뮤온의 비정상 자기모멘트에서 관측된 여러 이상 현상들을 검토하며, 전자에선 영향을 받지 않고 뮤온과 타우에만 영향을 주는 새로운 물리학의 가능성을 제기한다. Z′ 보손, 렙토쿠아크, 2HDM-X, Lμ−Lτ 플라보론 모델과 같은 통합 모델을 제안하여 렙톤 쿼라 프레임워크의 위반과 관련된 편차를 동시에 설명하며, LHCb와 Belle II에서 검증 가능한 주요 예측을 포함한다.

ABSTRACT

Several experiments observed deviations from the Standard Model (SM) in the flavour sector: LHCb found a $4-5\,σ$ discrepancy compared to the SM in $b o sμ^+μ^-$ transitions (recently supported by an Belle analysis) and CMS reported a non-zero measurement of $h oμτ$ with a significance of $2.4\,σ$. Furthermore, BELLE, BABAR and LHCb founds hints for the violation of flavour universality in $B o D^{(*)}τν$. In addition, there is the long-standing discrepancy in the anomalous magnetic moment of the muon. Interestingly, all these anomalies are related to muons and taus, while the corresponding electron channels seem to be SM like. This suggests that these deviations from the SM might be correlated and we briefly review some selected models providing simultaneous explanations.

연구 동기 및 목표

• 레프톤 부문에서의 새로운 물리학에 대한 통합적 증거를 분석하고, B-붕괴 이상 현상, h→μτ, 뮤온의 비정상 자기모멘트에 초점을 맞춘다.
• 모든 이상 현상이 전자에선 영향을 받지 않고 항상 뮤온과 타우에만 영향을 주는 일관된 패tern을 규명하여 공통의 새로운 물리학 메커니즘이 존재할 가능성을 제기한다.
• 다양한 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는 이론적 모델을 평가하고 비교하며, 기존 실험 제약 조건과의 일관성을 강조한다.
• 미래 실험, 특히 LHCb와 Belle II에서 관측 가능한 상관관계와 서명을 예측하여 제안된 모델을 검증할 수 있도록 한다.

제안 방법

• LHCb, Belle, BaBar, CMS, ATLAS의 실험 데이터를 분석하여 B→K*μ+μ−, B→D(*)τν, h→μτ, aμ의 관측치를 표준모형(SM) 예측과 비교한다.
• P′5와 같은 각도 관측량, R(K), R(D), R(D*)와 같은 분해율 비율을 사용하여 표준모형에서의 편차를 정량화한다.
• b→sℓ+ℓ−, b→cτν, h→μτ 전이에 대한 새로운 물리학 기여를 모델링하기 위해 효과적 장 이론 프레임워크를 수립한다.
• Z′ 매개 상호작용, 렙토쿠아크, 2HDM-X, Lμ−Lτ 플라보론 모델 등의 모델을 평가하여 관측량에 미치는 영향을 계산한다.
• 형광자성 중성미가 변화하는 과정(예: Bs−Bs 혼합, K0−K̄0 혼합), 희귀 붕괴(예: τ→μγ), LEP 제약 조건을 적용한다.
• 통계적 유의성(예: 2.6–5σ)을 사용하여 모델 공간 내 허용 가능한 매개변수 영역을 도출하기 위해 글로벌 피팅을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 b→sμ+μ−, B→D(*)τν, h→μτ, aμ에서 관측된 편차들이 하나의 새로운 물리학 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ2 왜 이상 현상은 항상 뮤온과 타우와 관련되어 있지만 전자 채널은 표준모형과 유사한가?
• RQ3 레프톤 쿼라 프레임워크의 위반과 뮤온 g−2 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는 타당한 새로운 물리학 모델은 무엇인가?
• RQ4 LHCb와 Belle II와 같은 현재 및 향후 실험에서 이러한 모델의 검증 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ5 K0−K̄0 혼합, τ→μγ 등 형광자성 중성미가 변화하는 과정의 제약 조건은 제안된 모델의 매개변수 영역을 어떻게 제한하는가?

주요 결과

• b→sμ+μ− 전이에서의 새로운 물리학에 대한 통합 유의성은 R(K)와 P′5를 포함해 4–5σ에 이르며, 표준모형을 초월한 강력한 증거로 간주된다.
• B→D(*)τν 붕괴에서 R(D*)와 R(D)의 편차는 결합 시 4.0σ에 이르며, 실험적 값은 R(D*)=0.316±0.016, R(D)=0.397±0.040이다.
• CMS의 h→μτ 측정에서 분해율은 (0.84−0.37+0.39)%로 측정되었으며, 통합 유의성은 2.6σ로, 힉스 부문에서 렙톤 쿼라 위반이 존재함을 시사한다.
• 뮤온의 비정상 자기모멘트는 Δaμ = (236±87)×10−11로 2.7σ의 편차를 보이며, 더 보수적인 추정치는 최대 3.6σ에 이른다.
• Z′ 보손, 렙토쿠아크, 2HDM-X 모델은 b→sμ+μ−, B→D(*)τν, aμ를 동시에 설명할 수 있으며, B→K*ττ와 Bs→τ+τ−의 분해율 증가를 예측한다.
• Lμ−Lτ 플라보론 모델은 힉스 혼합을 통해 h→μτ를 설명하고, 루프 다이어그램을 통해 aμ를 기여하며, 대칭 보호 덕분에 τ→μγ에 큰 기여를 방지한다.