[논문 리뷰] Clues for flavor from rare lepton and quark decays

Ivo de Medeiros Varzielas, Gudrun Hiller|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 LHCb의 $R_K$ 측정에서 암시된 $B\to K\mu\mu$ 붕괴에서의 렙톤 비보편성과 스칼라 렙톤쿠아크 및 비아벨 이론 대칭을 갖는 모형에서의 렙톤 측면 위반(LFV) 간의 연관성을 조사한다. 스칼라 렙톤쿠아크와 힉스 쿠플링을 연결하는 맛 대칭 붕괴 필드(플라본)가 $R_K$ 편차와 $h\to\tau\mu$, $B\to K\ell\ell'$, $\ell\to\ell'\gamma$와 같은 LFV 과정을 상관시키며, 표준모형을 초월한 새로운 물리의 통합적 테스트 틀을 제공한다.

ABSTRACT

Flavor symmetries successfully explain lepton and quark masses and mixings yet it is usually hard to distinguish different models that predict the same mixing angles. Further experimental input could be available, if the agents of flavor breaking are sufficiently low in mass and detectable or if new physics with non-trivial flavor charges is sufficiently low in mass and detectable. The recent hint for lepton-nonuniversality in the ratio of branching fractions $B o K μμ$ over $B o K e e$, $R_K$, suggests the latter, at least for indirect detection via rare decays. We demonstrate the discriminating power of the rare decay data on flavor model building taking into account viable leptonic mixings and show how correlations with other observables exist in leptoquark models. We give expectations for branching ratios $B o K \ell \ell^\prime, B_{(s)} o \ell \ell^\prime$ and $\ell o \ell^\prime γ$, and Higgs decays $h o \ell \ell^\prime$.

연구 동기 및 목표

• B\to K\mu\mu 붕괴에서 관측된 $R_K$ 가 렙톤 보편성에서의 편차가 스칼라 렙톤쿠아크와 맛 대칭 붕괴를 포함하는 공통의 새로운 물리 섹터에 의해 설명될 수 있는지 조사하기.
• 특히 $A_4$ 및 $SU(3)_F$ 대칭을 포함한 맛 모형 구축 방식이 어떻게 $R_K$ 이질성과 희귀 붕괴에서의 렙톤 측면 위반(LFV)을 동시에 수용할 수 있는지 탐색하기.
• 공유된 맛 구조를 가진 모형에서 $R_K$, LFV 붕괴($B\to K\ell\ell'$, $\ell\to\ell'\gamma$) 및 힉스 붕괴($h\to\ell\ell'$) 간의 상관관계를 규명하기.
• 같은 플라본 필드가 중성미온의 혼합 패턴을 생성하는 데 책임이 있음에도 불구하고 $R_K$ 위반 상호작용을 매개할 수 있음을 입증하여 맛 구조와 여러 희귀 붕괴 관측량 간의 직접적 연관성을 확립하기.

제안 방법

• LHCb의 $R_K$ 측정과 $M\gtrsim1$ TeV 제약 조건에 기반하여, 쿼크와 렙톤에 대한 렙톤쿠아크 쿠플링 $\lambda_{q\ell}$의 타당한 맛 패턴을 데이터 기반 접근 방식으로 식별한다.
• SU(2) 두중항 및 삼중항 렙톤쿠아크에 대한 효과적 라그랑지안을 구성하며, 각각 오른쪽 수동 쿼크와 왼쪽 수동 쿼크에 대한 쿠플링에 초점을 맞춘다.
• 특히 $A_4\times Z_3$ 및 $A_4\times Z_4$ 모형에서 맛 대칭 붕괴를 통해 실현 가능한 요카다 텍스처를 생성하는 플라본의 영향을 분석한다.
• 중성미온 혼합 패턴과 일관성을 확보하기 위해 플라본의 기대값($\phi_l$, $\phi_\nu$, $\xi'$)과 군 이론적 사영을 조합하여 렙톤쿠아크 질량 행렬과 쿠플링 구조를 유도한다.
• 같은 맛 구조가 $R_K\neq1$ 를 설명하는 데 사용된 바에 따라, $B\to K\ell\ell'$, $B_s\to\ell\ell'$, $\ell\to\ell'\gamma$, $h\to\ell\ell'$의 분해율을 계산한다.
• 이론적 예측을 $h\to\tau\mu$에서의 $2.5\sigma$ CMS 신호와 같은 실험적 힌트와 비교하여 모형의 타당성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $B\to K\mu\mu$ 붕괴에서의 $R_K$ 이질성이 스칼라 렙톤쿠아크 섹터 하나로 설명될 수 있는가, 이 섹터는 同시에 렙톤 측면 위반을 매개하는가?
• RQ2 $A_4$ 및 $SU(3)_F$와 같은 맛 대칭은 렙톤쿠아크 쿠플링의 구조를 어떻게 제약하며, $R_K$ 를 다른 희귀 붕괴 과정과 연결하는가?
• RQ3 공유된 맛 대칭 붕괴를 가진 모형에서 $R_K$, $h\to\ell\ell'$, $B\to K\ell\ell'$, $\ell\to\ell'\gamma$ 간의 상관관계는 무엇인가?
• RQ4 중성미온 혼합을 담당하는 동일한 플라본 필드가 $R_K\neq1$ 와 렙톤쿠아크 쿠플링에서의 LFV를 생성하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 $A_4\times Z_3$ 및 $A_4\times Z_4$ 모형이 $B$-메손 붕괴 및 LFV 붕괴 제약 조건을 만족하면서도 $R_K$ 이질성과 $h\to\tau\mu$ 신호를 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• $1\leq q^2<6$ GeV$^2$ 범위에서 $R_K$ 이질성의 측정치 $0.745\pm0.090_{-0.074}\pm0.036$ 는 $M\gtrsim1$ TeV 조건에서 $|\lambda_{se}\lambda_{be}^* - \lambda_{s\mu}\lambda_{b\mu}^*| \gtrsim 2\times10^{-3}$ 를 암시한다.
• $A_4\times Z_3$ 모형에서 $R_K\neq1$ 편차는 렙톤쿠아크 쿠플링 행렬에서 $(2,-1,-1)$ 및 $(0,1,-1)$ 방향으로의 교란에서 기인하며, 이는 직접적으로 반응기 각도 $\theta_{13}\neq0$ 와 연결된다.
• 같은 플라본 기대값이 삼중최대대칭 유사 중성미온 혼합 행렬을 생성하는 것과 동시에 $R_K$ 에서의 렙톤 보편성 위반을 유도하며, 중성미온 혼합과 $R_K$ 이질성 간의 직접적 연관성을 형성한다.
• 모델은 $R_K$ 와 관련된 $B\to K\ell\ell'$ 및 $B_s\to\ell\ell'$ 붕괴 분해율을 예측하며, $B\to K\mu\mu$ 붕괴 분해율은 쿠플링 구조에 따라 $10^{-7}$ 에서 $10^{-8}$ 수준에 이르는 것으로 예측된다.
• 가용한 매개변수 영역에서 $h\to\tau\mu$ 붕괴 분해율은 $10^{-3}$ 에서 $10^{-4}$ 수준으로 예측되며, 이는 $2.5\sigma$ CMS 힌트와 일치한다.
• $\ell\to\ell'\gamma$ 붕괴 확률는 억제되지만 0이 아니며, 큰 맛 혼합을 가진 모형에서는 $\mu\to e\gamma$ 분해율이 $10^{-12}$ 수준에 도달할 수 있어 보완적인 탐사 수 Mittel로 기능한다.