[논문 리뷰] Flavor Anomalies Accommodated in A Flavor Gauged Two Higgs Doublet Model

Junmou Chen, Qiaoyi Wen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 $Z'$ 게이지 보손과 채워진 힉스를 통해 $R_K$ 및 $R_{D^{(*)]}$ 이상현상과 뮤온의 비정상 자기모멘트($\Delta a_\mu$)를 동시에 설명하는 플레이버 가우지드 투 힉스 더블릿 모형(FG2HDM)을 제안한다. 모형은 FCNC를 억제하기 위해 $U(1)$ 플레이버 대칭을 도입하여, 오직 다운형 쿼크의 플레이버 변화 중성미가 있고, $Z'$가 오직 다운형 쿼크에만 결합하는 구조를 가지며, 일관된 프레임워크 내에서 다수의 플레이버 이상현상을 성공적으로 수용한다.

ABSTRACT

The $3.1σ$ $R_K$ anomaly after Moriond 2021 and $3.3 σ$ $Δa_μ$ from Fermilab Muon g-2 experiment implicate that the lepton flavor universality violation (LFUV) may play a role in the exploration of new physics. A Flavor Gauged Two-Higgs Doublet Model (FG2HDM) is proposed and investigated in this work. To get rid of the the redundancy in Yukawa coupling of 2HDM-III, a specific U(1) flavor symmetry is introduced. The charge difference between two scalar doublet forbid the appearance of pseudoscalar and hence there are only three particles (a charged and neutral heavy scalar together with a neutral gauge boson) adding to SM particle spectrum. The heavy neutral scalar-mediated flavor-changing interactions occur among down-type quarks. With obvious difference from 2HDM-II, the charged Higgs in FG2HDM can naturally explain $R_{D^{(*)}}$ anomaly. The heavy neutral vector boson $Z'$, changing flavor for down-type quark uniquely as well, provides a solution to $R_{K^{(*)}}$. The anomalous magnetic dipole moment (AMDM) of muon and electron, especially the new released $Δa_μ$, can further discriminate $Z'$ parameter space.

연구 동기 및 목표

• B-메손 붕괴에서 관측된 지속적인 $R_K$ 및 $R_{D^{(*))}$ 이상현상을 해결하여 렙톤 플레이버 유니버설리티 위반을 설명한다.
• 페르미랩에서 관측된 뮤온의 비정상 자기모멘트($\Delta a_\mu$)에 대한 $3.3\sigma$의 격리 차이를 해결한다.
• 타입 III 2HDM에서 문제가 되는 플레이버 변화 중성미가 있는 FCNC를 피하기 위해 $U(1)$ 플레이버 게이지 대칭을 도입하여 타당한 두 힉스 더블릿 모형(2HDM)을 구축한다.
• 단일의 이상없는 모형에서 $R_K$, $R_{D^{(*)}}$, 및 $\Delta a_\mu$ 이상현상을 모두 설명하며, 최소한의 입자 내용을 유지한다.

제안 방법

• 오직 다운형 쿼크와 렙톤에만 비영인 전하를 부여하는 $U(1)$ 플레이버 게이지 대칭을 도입하며, 업형 쿼크와 중성미는 단일 상태이다.
• fermion 및 스칼라 필드에 특정 하이퍼전하를 할당하여 이상성 취소 조건을 만족시키고, 두 힉스 더블릿 간의 전하 비대칭으로 인해 편성자( pseudoscalars)가 금지되도록 한다.
• 다운형 쿼크에만 결합하는 $Z'$ 게이지 보손을 도입하여 $b \to s\ell\ell$ 전이를 매개하고 $R_K$ 이상현상을 설명한다.
• 채워진 힉스 보손을 통해 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 전이에 기여하여 $R_{D^{(*)}}$ 이상현상을 자연스럽게 설명한다.
• 스칼라 포텐셜과 상호작용 꼬리표를 스칼라 정렬 근사 및 혼합 각도를 사용하여 유도하여 물리적 힉스 상태가 정확히 정의되도록 한다.
• LHC 및 전자기정밀도 제약 조건을 만족시키면서 $R_K$, $R_{D^{(*)}}$, 및 $\Delta a_\mu$ 데이터를 바탕으로 $Z'$ 및 채워진 힉스 결합 상수를 제약하는 전역 피팅을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM 프레임워크 내에서 $U(1)$ 플레이버 게이지 대칭이 FCNC를 과도하게 증가시키지 않으면서도 $R_K$ 및 $R_{D^{(*)}}$ 이상현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 다운형 쿼크에만 결합하는 $Z'$ 보손이 $R_K$ 이상현상과 뮤온의 비정상 자기모멘트에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최신 $\Delta a_\mu$ 측정값과 $R_K$ 데이터로부터 $Z'$ 및 채워진 힉스 결합 상수에 가해지는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 모형이 관측된 이상현상을 수용하면서도 전자기정밀도 시험과 LHC 힉스 데이터와 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 플레이버 대칭에 따른 전하 할당이 스칼라 포텐셜의 구조와 그에 따른 현상학적 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LHCb에서 2021년 모리온드 이후 관측된 $3.1\sigma$의 $R_{K}$ 이상현상을 $Z'$ 보손이 $b \to s\ell\ell$ 전이를 매개함으로써 성공적으로 설명한다.
• FG2HDM의 채워진 힉스 보손은 $R_{D^{(*)}}$ 이상현상을 자연스럽게 설명하여 2HDM-II에서 관측된 긴장감을 해소한다.
• $Z'$ 보손은 오직 다운형 쿼크에만 결합하여 $K^0$-$\bar{K}^0$ 혼합에 의한 제약을 피하고 타당한 매개변수 영역을 확보한다.
• 모형의 $Z'$ 기여는 페르미랩 측정치와 일치하며, 이는 표준모형 예측에서 $3.3\sigma$의 격리 차이를 보인다.
• 이상성 취소 조건은 모형의 자유 매개변수를 두 개($Q_{d_R}, Q_{\mu_R}$)로 줄여 예측 가능한 프레임워크를 제공하며, 검증 가능한 서명을 갖는다.
• 스칼라 섹터에는 물리적 채워진 힉스 한 개, 중성자 무거운 스칼라 한 개, 그리고 $Z'$만 존재하며, 이중의 전하 비대칭으로 인해 편성자가 존재하지 않는다.