[论文解读] $B-L$ violating nucleon decays as a probe of leptoquarks and implications for baryogenesis

Chandan Hati, Utpal Sarkar|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用 9

一句话总结

本文提出，$B-L$ 异常的核子衰变——特别是 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 和 $p \to \nu\pi^{+}$ 等模式——可作为探测标量和矢量轻子偶素的模型无关方式，直接关联到 B 介子工厂观测到的 $B$ 衰变异常。关键结果表明，此类衰变可将 $B-L$ 破坏尺度约束至 $10^{11}$ GeV，并通过幸存于 Sphaleron 洗刷过程的 $B-L$ 异常，提供一种新颖的重子生成机制。

ABSTRACT

We study the effective $B-L$ violating couplings for scalar and vector leptoquarks which can naturally induce dimension seven $B-L$ violating operators leading to very interesting nucleon decay modes such as $n \ ightarrow e^- \\pi^+, e^-K^+,\\mu^- \\pi^+, \\mu^-K^+$ and $p \ ightarrow \ u \\pi^+$. This opens a new window to probe the nature and couplings of the scalar and vector leptoquarks in an ultraviolet model independent way which can provide an orthogonal probe for scalar and vector leptoquark solutions to the recent anomalous $B$-decay data. Furthermore, we also discuss how these $B-L$ violating interactions can also pave a new way to understand the origin of matter-antimatter asymmetry of the Universe.

研究动机与目标

• 研究 $B-L$ 异常核子衰变模式（如 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 和 $p \to \nu\pi^{+}$）如何作为标量和矢量轻子偶素的模型无关探测器。
• 将这些 $B-L$ 异常衰变模式与 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 中观测到的 $B$ 衰变异常联系起来，这些异常表明新物理存在于 TeV 能标。
• 探讨 $B-L$ 异常相互作用对重子生成的影响，特别是 $B-L$ 异常如何在 Sphaleron 过程中幸存。
• 研究这些相互作用在 $SO(10)$、Pati-Salam 和 $SU(5)$ 等 GUT 框架下的紫外完成形式，评估低能标轻子偶素质量的可行性。
• 建立最终重子不对称性与 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 部分寿命之间的关联，将宇宙学物质-反物质不对称性与核子衰变联系起来。

提出的方法

• 构建由标量和矢量轻子偶素诱导的、具有 $Δ(B-L) = -2$ 的有效维度七 $B-L$ 异常算符。
• 利用有效场论技术和轻子偶素耦合，推导 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 和 $p \to \nu\pi^{+}$ 等模式的核子衰变振幅。
• 分析核子衰变速率对 $B-L$ 破坏尺度与轻子偶素质量之比的依赖性，从而实现对高达 $10^{11}$ GeV 尺度的间接探测。
• 采用热场论计算右手中微子 $B-L$ 异常衰变产生的最终重子不对称性，同时考虑洗刷效应。
• 模型中引入具有通过 $ uc uc\Delta^{c}$ 项生成的 Majorana 质量的右手中微子，将中微子质量生成与 $B-L$ 破坏联系起来。
• 使用基准参数（如 $M_{S_1} = 10^{16}$ GeV，$M_{\nu^c} = 1$ TeV，$\lambda = 10^{11}$ GeV）数值研究重子不对称性与核子衰变寿命之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使 $B-L$ 异常核子衰变模式（如 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 和 $p \to \nu\pi^{+}$）作为标量和矢量轻子偶素的模型无关探测器？
• RQ2 观测到的 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 中的 $B$ 衰变异常如何约束轻子偶素的耦合常数和质量？这些是否可通过核子衰变探测？
• RQ3 在早期宇宙中，$B-L$ 异常相互作用在多大程度上可产生可幸存于 Sphaleron 过程的重子不对称性？
• RQ4 在存在 $B-L$ 异常相互作用的情况下，最终重子不对称性与 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 衰变模式的部分寿命之间存在何种关联？
• RQ5 像 $SO(10)$ 和 Pati-Salam 这类紫外完备的 GUT 模型如何实现所需的 $B-L$ 异常耦合与轻子偶素相互作用？

主要发现

• 由标量和矢量轻子偶素通过 $Δ(B-L) = -2$ 诱导的 $B-L$ 异常核子衰变模式 $n \to e^{-}\pi^{+}$、$n \to \mu^{-}\pi^{+}$ 和 $p \to \nu\pi^{+}$ 属于有效维度七算符。
• 这些衰变模式可探测高达 $10^{11}$ GeV 的 $B-L$ 破坏尺度，远超当前对撞机探测能力，尤其当轻子偶素处于 TeV 能标时。
• 观测到的 $R_K$ 中 $2.5\sigma$ 偏差和 $R_{K^*}$ 中 $2.6\sigma$ 偏差与 TeV 能标的标量和矢量轻子偶素解一致，可通过 $B-L$ 异常核子衰变进行检验。
• 最终重子不对称性与 $n \to e^{-}\pi^{+}$ 的部分寿命相关，当特定 $M_{\nu^c}$ 和 $y_{\nu^cLH}$ 取值时，可实现 PLANK 观测到的不对称性比值（$Y_B \approx 8.6 \times 10^{-11}$）。
• 若右手中微子与轻子偶素在相同温度下退耦（$M_{\nu^c} \sim M_{S_1}$），$B-L$ 异常的完全洗刷可被抑制，从而保留不对称性。
• 中微子质量可通过 $\nu^c\nu^c\Delta^c$ 项或包含 $B-L$ 异常顶点的单圈图生成，两者均与核子衰变所探测的 $B-L$ 破坏尺度相关。