[論文レビュー] Flavor Physics Constraints on TeV Scale Color Sextet Scalars

Elaine C. F. S. Fortes, K. S. Babu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、左対称性の $SU(2)_L \times SU(2)_R \times SU(4)_C$ モデルにおけるテヴスケールの色六重スカラーボソンが媒介するフレーバー変換を伴う中性荷電現在 (FCNC) 効果を分析する。中間子の混合および崩壊における木レベルおよび1ループの寄与を用いて、$\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$ のヤウカフカップリングに対してきびしい制約を導出し、カップリングが約 $10^{-2}$ の場合、現在の実験的データと整合するためには六重スカラーボソンの質量が数テルアのオーダーを超える必要があることを示している。

ABSTRACT

In this work we present an analysis of flavor violating effects mediated by color sextet scalars, which arise naturally in left-right symmetric gauge theories based on SU(2)_L imes SU(2)_R imes SU(4)_C group. The sextets, denoted here by Δ_{dd}, Delta_{ud} and Δ_{uu}, couple to right--handed quarks. We delineate the constraints on these couplings arising from meson--anti-meson transitions and flavor changing weak decays. The sextet Δ_{uu} mediates D^{0}-\bar{D}^{0} mixing via tree-level and box diagrams, and also mediates D --> K pi, pi pi decays. The sextets Δ_{ud} and Δ_{dd} mediate B_{d}^{0}-\bar{B}_{d}^{0}, B_{s}^{0}-\bar{B}_{s}^{0} and K^{0}-\bar{K}^{0} mixings as well as rare B and D meson decays. Our analysis shows that for coupling strengths of order 10^{-2}, the current experimental data requires the mass of these color sextets to exceed several TeV. These bounds are stronger than those obtained from direct LHC searches.

研究の動機と目的

• 低エネルギーのフレーバー破れ過程を用いて、右巻きクォークへのテルアスケールの色六重スカラーボソン（$\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$）のヤウカフカップリングを制約すること。
• これらの六重スカラーボソンが、ポスト・スファラーロンビアリオン生成およびニュートリノ質量生成のモデルにおいて実現可能であるかを評価すること。この場合、カップリングと質量が極めて重要である。
• 中間子の混合およびレア崩壊からの制約の強さを、直接のLHC探索からのものと比較し、フレーバーフィジックスが制約を支配することを強調すること。
• BおよびD中間子の崩壊および $K^0$-$\overline{K}^0$、$B_d^0$-$\overline{B}_d^0$、$B_s^0$-$\overline{B}_s^0$、$D^0$-$\overline{D}^0$ 遷移に関する実験的データを用いて、カップリング行列の積に対する定量的限界を提供すること。
• FCNCの制約とバリオン数の破れ、特に中性子-反中性子振動の限界との相互作用を評価すること。

提案手法

• 色六重スカラーボソン $\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$ と右巻きクォークのヤウカフカップリングの有効ラグランジアンを構築する。$\mathcal{L}_{\Delta} = -\frac{f_{ij}}{2}(d_R^T C d_R)\Delta_{dd} - \frac{h_{ij}}{2}(u_R^T C u_R)\Delta_{uu} - \frac{g_{ij}}{2\sqrt{2}}(u_R^T C d_R + d_R^T C u_R)\Delta_{ud} + \text{h.c.}$
• フレーバー数変化 $\Delta F = 2$ の過程、特に $D^0$-$\overline{D}^0$、$B_d^0$-$\overline{B}_d^0$、$B_s^0$-$\overline{B}_s^0$、$K^0$-$\overline{K}^0$ 混合に対する木レベルおよび1ループ（ボックス）の寄与を計算する。
• QCD因子化法を用いて、非レプトン崩壊 $B \to \pi\pi$、$B \to \phi\pi$、$D \to K\pi$、$D \to \pi\pi$ を評価する。
• $B$および$D$中間子の崩壊および混合パラメータからの実験的制限を用いて、カップリング行列の積（$f_{ij}f_{kl}^*$、$g_{ij}g_{kl}^*$、$h_{ij}h_{kl}^*$）に対する制限を導出する。
• 得られたカップリングの制限を $ (M_{\Delta}/\text{TeV})^2 $ でスケーリングし、質量依存の限界として表現する。
• フレーバー制約の強さと直接のLHC探索を比較し、フレーバーフィジックスがより強い制約を提供することを結論づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギーのフレーバー破れ過程から、テルアスケールの色六重スカラーボソン（$\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$）の右巻きクォークへのヤウカフカップリングに対する最も強い制約は何か？
• RQ2 中間子の混合およびレア崩壊における木レベルと1ループの寄与は、六重スカラーボソンのカップリングを制約する上で、どのように比較されるか？
• RQ3 ポスト・スファラーロンビアリオン生成に必要なカップリング強度は、現在のFCNC過程からの実験的制限と整合するか？
• RQ4 $B$および$D$中間子の崩壊および混合からの制約は、これらの色付きスカラーボソンに対して、直接のLHC探索の制約よりも強いのか？
• RQ5 $B \to \pi\pi$ および $B_s \to \pi\pi$ 崩壊における、標準模型と新しい物理の振幅の干渉が制約に与える影響は何か？

主な発見

• ヤウカフカップリングの強度が $10^{-2}$ のオーダーの場合、現在の実験的データでは、色六重スカラーボソンの質量が数テルアを超える必要がある。
• $B$中間子の崩壊および $B_d^0$-$\overline{B}_d^0$ 混合からの制約は、$D$中間子の崩壊および $D^0$-$\overline{D}^0$ 混合からのものよりもきびしい。
• $\overline{B}_d^0 \to \pi^0\pi^0$ からの $|f_{13}f_{11}^*|$ の制限は $0.444$ であり、$\overline{B}_d^0 \to \phi\pi^0$ からの $|f_{23}f_{12}^*|$ の制限は $0.035$ である。これは、特定のフレーバー変換遷移が強く抑制されていることを示している。
• $\Delta_{ud}$ に対しては、$\overline{B}_d^0 \to \pi^-\pi^+$ からの制限で $|(g_{13}+g_{31})g_{11}^*| < 1.456$、$\overline{B}_s^0 \to K^-K^+$ からの制限で $|(g_{13}+g_{31})(g_{12}^*+g_{21}^*)| < 7.097$ である。
• $\Delta_{uu}$ に対しては、$D^0 \to \pi^0\pi^0$ からの制限で $|h_{12}h_{11}^*| < 28.054$、$D^+ \to \pi^+\pi^0$ からの制限で $|h_{12}h_{11}^*| < 47.849$ であり、これは $D^0$ 崩壊振幅の顕著な抑制を示している。
• 得られたカップリングの制限は $ (M_{\Delta}/\text{TeV})^{-2} $ のようにスケーリングするため、$M_{\Delta} \sim 1$ TeV の場合、表2および表3に示す値未満のカップリング積である必要がある。