[논문 리뷰] Connecting neutral current $B$ anomalies with the heaviness of the third family

Joe Davighi|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 15.

Fetal and Pediatric Neurological Disorders참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 약한 고유기저에서 제3 쿼크 쿼르크 가족에만 결합하는 $Z^{\prime}$ 게이지 보손 모형을 제안하며, 이론적 비대칭 캐슬링 조건에 의해 초위상 전하 비례로 고정된 전하를 갖는다. 이 모형은 $b\to s\mu\mu$ 비정상 현상들을 설명하며, $t\to Z^\prime u$ 붕괴와 $B\to K^*\tau^+\tau^-$ 결손과 같은 특징적인 서명을 예측한다. 또한 $B_s$ 혼합, $Z$-보손의 렙톤 유니버설리티, LHC에서의 $Z^\prime\to\mu\mu$ 탐색 결과로 제약을 받는다.

ABSTRACT

It is possible, and for several reasons attractive, to explain a collection of recent anomalies involving $b ightarrow sμμ$ processes with a $Z^{\prime}$ gauge boson coupled only to the third family in the weak eigenbasis. From this premise, requiring cancellation of all gauge anomalies (including mixed and gravitational anomalies) fixes a unique charge assignment for the third family Standard Model fermions, which is simply proportional to hypercharge. After a brief discussion of some general features of anomaly cancellation in $Z^\prime$ theories, we discuss the phenomenology of such a `Third Family Hypercharge Model', which is subject to a trio of important constraints: (i) $B_s-\bar{B}_s$ mixing, (ii) lepton universality of the $Z$ boson couplings, and (iii) constraints from direct searches for the $Z^\prime$ boson at the LHC. Finally, in gauging third family hypercharge, this model forbids all Yukawa couplings (at the renormalisable level) save those of the third family, leading to a possible explanation of the heaviness of the third family.

연구 동기 및 목표

• 약한 고유기저에서 제3 가족에만 결합하는 $Z^\prime$ 게이지 보손을 통해 $B$ 붕괴에서 지속적인 $b\to s\mu\mu$ 비정상 현상들을 설명하기.
• 모든 비대칭 조건—게이지, 혼합, 중력 비대칭—이 사라지도록 보장함으로써 $Z^\prime$ 모형의 게이지 비대칭 캐슬링을 확보하기.
• 제3 가족의 초위상 전하를 게이지화하는 것이 쿼크 질량의 관찰된 계층성, 특히 무거운 토프 쿼크를 자연스럽게 설명할 수 있는지 탐구하기.
• $B_s$ 혼합, $Z$-보손 렙톤 유니버설리티, LHC에서의 직접적 $Z^\prime$ 탐색 결과로부터 양성적 제약 조건을 유도하고 검증하기.
• 미래 실험 검증을 위해 새로운 서명, 예를 들어 희귀 토프 붕괴와 $B\to K^*\tau^+\tau^-$ 결손을 예측하기.

제안 방법

• 약한 고유기저에서 제3 가족에만 결합하는 $U(1)^\prime$ 확장 모형을 구성하여 $Z^\prime$ 보손을 도입하기.
• 모든 비대칭 조건—게이지, 혼합, 중력 비대칭—이 사라지도록 하여 제3 가족 페르미온의 $U(1)^\prime$ 전하를 초위상 전하에 비례하도록 유일하게 고정하기.
• 모든 $Z^\prime$를 통합한 후의 효과적 라그랑지안을 유도하여, $g_{sb} \propto \sin(2\theta_{sb})$ 및 $g_{\mu\mu} \propto -1/2$ 형태의 결합 상수 도출하기.
• 2019년 모리온드 이후의 $B$-물리 데이터를 기반으로 한 글로벌 피팅을 통해 $Z^\prime$ 결합 강도 $g_F$ 와 질량 $M_{Z^\prime}$ 제약 설정하기.
• $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합($|g_{sb}| \leq M_{Z^\prime}/(194\,\text{TeV})$), $Z$-보손 렙톤 유니버설리티($g_F < M_{Z^\prime}/(2.2\,\text{TeV})$), LHC에서의 $Z^\prime\to\mu\mu$ 탐색 결과 적용하기.
• $Z^\prime$ 붕괴의 브랜치 비율(주로 $t\bar{t}$ 및 $\tau^+\tau^-$)과 $Z$-$Z^\prime$ 혼합 및 플레버 변화 결합을 통한 희귀 토프 붕괴 예측하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제3 가족에만 결합하는 $Z^\prime$ 보손이 모든 비대칭 캐슬링 조건을 만족하면서도 관측된 $b\to s\mu\mu$ 비정상 현상들을 설명할 수 있는가?
• RQ2 제3 가족 페르미온에 대한 전하 배정은 $U(1)^\prime$ 확장 모형에서 비대칭 자유도를 확보하기 위해 어떤 조건을 가져야 하는가?
• RQ3 $B_s$ 혼합, $Z$-보손 렙톤 유니버설리티, LHC에서의 직접적 $Z^\prime$ 탐색 결과가 모형의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 제3 가족의 초위상 전하를 게이지화하는 것이 쿼크 질량의 계층성, 특히 큰 질량을 가진 토프 쿼크를 다이내믹하게 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 모형의 주요 실험적 서명은 무엇이며, HL-LHC는 이들을 얼마나 잘 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 제3 가족에 대한 $U(1)^\prime$ 비대칭 자유도에 대한 유일한 전하 배정은 초위상 전하에 비례하도록 고정되며, 이는 모든 게이지, 혼합, 중력 비대칭의 상쇄를 보장한다.
• 모형은 $b\to s\mu\mu$ 비정상 현상에 잘 맞는다. $g_F = (M_{Z^\prime}/36\,\text{TeV}) \sqrt{24x / \sin(2\theta_{sb})}$ 형태의 $Z^\prime$ 결합 강도를 예측하며, $x = 1.06 \pm 0.16$ (95% 신뢰수준)이다.
• $B_s$-$\bar{B}_s$ 혼합 제약 조건은 $|g_{sb}| \leq M_{Z^\prime}/(194\,\text{TeV})$ 를 제공하며, 이는 $b$-쿼크에 대한 $Z^\prime$ 결합 강도에 강력한 제약을 가한다.
• 헤이그스의 $U(1)^\prime$ 전하로 인한 $Z$-$Z^\prime$ 혼합은 LEP의 $R$-비율 측정 결과로부터 $Z$-보손 결합 강도에 대해 $g_F < M_{Z^\prime}/(2.2\,\text{TeV})$ 제약을 유도한다.
• ATLAS에서 139 fb$^{-1}$의 13 TeV 데이터로 수행된 직접적 $Z^\prime\to\mu\mu$ 탐색 결과는 모형을 제약하며, 이 중 이중 뮤온 채널이 현재 가장 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 모형은 $Z^\prime$ 붕괴의 주요 경로로 $t\bar{t}$ (42%)와 $\tau^+\tau^-$ (30%)를 예측하며, $Z^\prime\to\mu\mu$ 브랜치 비율은 8%이다. 또한 혼합과 플레버 변화 결합을 통해 $t\to Z^\prime u$ 및 $t\to Z^\prime c$ 등의 희귀 토프 붕괴를 예측한다.