[논문 리뷰] Dressing L_mu - L_tau in Color

Wolfgang Altmannshofer, Stefania Gori외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 48인용 수 176

한 줄 요약

이 논문은 $Z^\prime$ 보손이 $L_\mu - L_\tau$ 대칭을 매개하며, 뮤온에 대한 벡터형 쿠퍼링과 쿼크에 대한 억제된 쿠퍼링을 통해 LHCb의 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 각도 비정상성 현상을 설명한다. 모형은 무거운 벡터형 페르미온을 통해 UV-완성되며, $B$-물리 비정상성에 부합하지만, $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 몇 GeV일 경우 뉴트리노 트라이드 생산으로 인해 배제된다. 이는 뮤온 $g-2$ 비정상성 현상을 설명하는 데의 타당성을 강하게 제한한다.

ABSTRACT

We consider a new massive vector-boson Z' that couples to leptons through the L_mu - L_tau current, and to quarks through an arbitrary set of couplings. We show that such a model can be obtained from a renormalizable field theory involving new heavy fermions in an anomaly-free representation. The model is a candidate explanation for the discrepancy observed recently by the LHCb collaboration in angular distributions of the final state particles in the rare decay B o K* mu^+ mu^-. Interestingly, the new vector-boson contribution to the decay tau o mu nu_tau \bar nu_mu can also remove a small tension in the measurement of the corresponding branching ratio. Constraints from light flavor meson-mixing restrict the coupling to the up- and down-quarks to be very small and thus direct production of the vector-boson at hadron colliders is strongly suppressed. The most promising ways to test the model is through the measurement of the Z decay to four leptons and through its effect on neutrino trident production of muon pairs. This latter process is a powerful but little-known constraint, which surprisingly rules out explanations of (g-2)_mu based on Z' gauge bosons coupled to muon number, with mass of at least a few GeV.

연구 동기 및 목표

• 최근 LHCb에서 관측된 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 각도 분포의 비정상성 현상을 $L_\mu - L_\tau$ 대칭과 관련된 $Z^\prime$ 보손이 설명할 수 있는지 조사한다.
• 이러한 $Z^\prime$ 모형이 뮤온의 비정상적인 자기모멘트 $(g-2)_\mu$ 를 설명하는 데 가능성이 있는지 판단한다.
• 특히 뉴트리노 트라이드 생산과 $Z \to 4\mu$ 붕괴를 포함한 저에너지 과정의 제약 조건이 모형의 매개변수 공간에 미치는 영향을 평가한다.
• 이상성 없는 표현에서 무거운 벡터형 페르미온을 통해 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 모형의 UV-완성을 제공한다.
• 특히 고강도 프론티어 실험에서 테스트할 수 있는 가장 유망한 실험적 탐지 방법을 규명한다.

제안 방법

• 이상성 유한성을 보장하는 표현에서 변환되는 무거운 벡터형 페르미온을 사용하여 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 모형의 재규격화 가능한 UV-완성을 수립한다.
• 쿼크와 렙톤에 대한 효과적 쿠퍼링을 루프 유도된 혼합을 통해 유도하며, 업-형 및 다운-형 쿼크에 대한 쿠퍼링은 가벼운 페르미온 메손 혼합으로 제약을 받는다.
• LHCb의 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 데이터를 적합하기 위해 효과적 해밀토니안 $\mathcal{H}_{\text{eff}} = C_9 (\bar{s}\gamma_\alpha P_L b)(\bar{\mu}\gamma^\alpha \mu) + C_9' (\bar{s}\gamma_\alpha P_R b)(\bar{\mu}\gamma^\alpha \mu)$ 를 사용한다.
• $Z \to 4\mu$ 붕괴와 뉴트리노 트라이드 생산으로부터의 제약 조건을 계산하며, 뮤온에 대한 $Z^\prime$ 쿠퍼링과 혼합을 통한 뉴트리노에 대한 유도 쿠퍼링을 사용한다.
• $B_s$ 혼합에 대한 $Z^\prime$ 영향을 분석하여, $v_\Phi \gtrsim 100$ GeV일 경우 $\Delta M_s$ 에 최소 3%의 이동이 예측됨을 밝힌다.
• 뮤온에 대한 $Z^\prime$ 쿠퍼링과 $Z$ 보손 혼합을 통해 $g-2_\mu$ 및 뉴트리노 트라이드 데이터로부터 $Z^\prime$ 질량과 쿠퍼링에 대한 제약 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기약력 스케일 이하의 낮은 질량을 가진 $Z^\prime$ 보손이 $L_\mu - L_\tau$ 대칭과 관련되어 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 각도 분포의 LHCb 비정상성 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 만약 $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 몇 GeV일 경우, $Z^\prime$ 모형이 뮤온의 비정상적인 자기모멘트 $(g-2)_\mu$ 를 설명하는 데 가능성이 있는가?
• RQ3 $Z \to 4\mu$ 붕괴와 뉴트리노 트라이드 생산으로부터의 제약 조건이 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 모형의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 $Z^\prime$ 가 $B_s$ 혼합에 미치는 최소 효과는 무엇이며, 향후 LHCb 업그레이드로는 이를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 $Z^\prime$ 모형이 이상성 보존을 유지하면서도 저에너지 데이터에 부합하는 무거운 벡터형 페르미온을 통해 일관된 UV-완성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 모형은 전기약력 스케일 이하의 질량을 가질 경우 LHCb의 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 각도 비정상성을 설명할 수 있으며, $\text{Re}(C_9) \simeq -(35~\text{TeV})^{-2}$ 와 $\text{Re}(C_9') \simeq +(35~\text{TeV})^{-2}$ 를 예측한다.
• 이 모형은 $B_s$ 혼합 질량 차이 $\Delta M_s$ 에 최소 3%의 이동을 예측하며, 이 효과는 $Z^\prime$ VEV의 제곱에 비례하여 증가하여 향후 LHCb 업그레이드에서 탐지 가능할 수 있다.
• 뉴트리노 트라이드 생산은 이전에 간과되었지만 매우 강력한 제약 조건을 제공하며, $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 몇 GeV일 경우 뮤온 $g-2$ 비정상성 현상을 설명하는 데 있어 $Z^\prime$ 모형을 배제한다.
• $Z \to 4\mu$ 붕괴 채널은 뮤온에 대한 $Z^\prime$ 쿠퍼링에 강력한 제약 조건을 제공하며, 특히 $Z$ 보손 혼합과 조합될 경우 더욱 강력하다.
• 업-형 및 다운-형 쿼크에 대한 $Z^\prime$ 쿠퍼링은 가벼운 페르미온 메손 혼합으로 인해 심각하게 제약을 받으며, 이는 하드론 충돌기에서의 직접 생성을 억제한다.
• 무거운 벡터형 페르미온을 통한 UV-완성은 이상성 보존을 보장하며, 억제된 쿼크 쿠퍼링을 가진 $L_\mu - L_\tau$ 포털의 일관된 양자장 이론적 실현을 가능하게 한다.