[論文レビュー] Flavor Specific $U(1)_{B_q-L_\mu}$ Gauge Model for Muon $g-2$ and $b o s \bar \mu \mu$ Anomalies

Jianyong Cen, Yu Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ミュオンの $g-2$ 異常と $b \to s\bar\mu\mu$ ベータ粒子崩壊の異常を同時に説明するために、フレーバー特異的 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ ゲージ模型を提案する。このモデルはミュオンに結合する $Z'$ ボソンを導入し、質量行列の対角化後に混合を介してフレーバー変換を伴うクォーク相互作用を生成するが、$\tau \to \mu\gamma$、$\tau \to 3\mu$、ニュートリノトライデント、および $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合データによって制約を受ける中で、$Z'$ ボソンの質量が数百 MeV 未塔に制限される場合、両方の異常を同時に満たすパラメータ空間は存在しないことが判明した。

ABSTRACT

The muon $(g-2)_\mu$ and $b o s \bar \mu \mu$ induced $B$ anomalies as hints of new physics beyond the standard model (SM) have attracted much attention. These two anomalies indicate that there may exist new interaction specifically related to muon. A lot of theoretical ideas have been proposed to explain these anomalies. Gauged flavor specific $U(1)_{B_q-L_\mu}$ is among the promising ones. The new gauge boson $Z'$ from $U(1)_{B_q-L_\mu}$ interacts with muon and provides necessary ingredient to solve the $(g-2)_\mu$ anomaly. The $Z'$-quark coupling can generate flavor changing interactions after diagonalization of quark mass matrix between weak eigen-state and mass eigen-state basis. We revisit challenges for such models attempting to explain the $(g-2)_\mu$ and $B$ anomalies separately or simultaneously. We find although for $U(1)_{B_q-L_\mu}$ models there is still parameter space to provide solutions for separately explaining the $(g-2)_\mu$ and $B$ anomalies, there exists no parameter space for such models to solve both the anomalies simultaneously, after taking into account existing constraints from $ au o \mu \gamma$, $ au o 3 \mu$, neutrino trident and $B_s - \bar B_s$ data. Among them leptonic processes restrict $Z^\prime$ mass to be less than a few hundred MeV if required to solve the $(g-2)_\mu$ anomaly, which causes conflict between data from $B_s - \bar B_s$, $D^0 - \bar D^0$ mixing and also hadron decays with $Z^\prime$ in the final states. The effects of $U(1)_Y$ and $U(1)_{B_q-L_\mu}$ kinetic mixing on these anomalies are also studied. We find that neither can these effects do much to bring the two anomalies together to be solved simultaneously.

研究の動機と目的

• フレーバー特異的 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ ゲージ模型が、ミュオン $g-2$ 異常と $b \to s\bar\mu\mu$ ベータ粒子崩壊異常を同時に説明できるかどうかを調査すること。
• レアなレプトンおよびメソン崩壊からの既存の実験的制約の下で、そのようなモデルの妥当性を検討すること。
• 標準模型の $U(1)_Y$ ゲージ群と $U(1)_{B_q - L_\mu}$ の間の運動的混合が、異常解の影響を評価すること。
• $Z'$ ボソンが、フレーバー保存型やレア崩壊の制約に違反せずに、$g-2$ と $B$ 異常の両方の効果を媒介できるかどうかを特定すること。

提案手法

• $Z'$ がミュオンに結合し、クォークに非自明な電荷を与える $U(1)_{B_q - L_\mu}$ ゲージ模型を構築し、質量行列の対角化後にフレーバー変換を伴うニュートリノ中性流を生成する。
• $\mu$-ミュオンループにおける $Z'$ 交換によるミュオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ の寄与を計算する。
• $Z'$-クォーク結合を用いて $b \to s\bar\mu\mu$ 崩壊振幅を評価し、分岐比と角度観測量を分析する。
• $\tau \to \mu\gamma$、$\tau \to 3\mu$、ニュートリノトライデント散乱、$B_s$-$\bar{B}_s$ 混合、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合、$D \to \pi Z'$ 崩壊からの制約を適用する。
• $U(1)_{B_q - L_\mu}$ と標準模型の $U(1)_Y$ 間の運動的混合を含め、$Z'$ 結合と異常解への影響を評価する。
• すべての制約下で両異常と同時に整合するパラメータ空間のグローバルスキャンを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ モデルは、$g-2$ 異常と $b \to s\bar\mu\mu$ 異常の両方を同時に説明できるか？
• RQ2 $\tau \to \mu\gamma$、$\tau \to 3\mu$、およびニュートリノトライデント散乱からの制約は、$Z'$ ボソンの質量と結合定数にどのような制限を課えるか？
• RQ3 $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合と $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合データは、$m_{Z'} \lesssim 300$ MeV の場合に $g-2$ 異常に必要な $Z'$-媒介寄与とどのように矛盾するか？
• RQ4 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ と標準模型の $U(1)_Y$ 間の運動的混合は、二つの異常を調和させるのにどの程度寄与するか？
• RQ5 $Z'$ ボソンが、既存のレア崩壊および混合作業の制限に違反せずに、$a_\mu$ と $b \to s\bar\mu\mu$ の両方の過程を媒介できるパラメータ空間の領域が存在するか？

主な発見

• 現在の実験的制約下では、このモデルはミュオン $g-2$ 異常と $b \to s\bar\mu\mu$ 異常の両方を同時に説明できない。
• $\tau \to \mu\gamma$ および $\tau \to 3\mu$ の制約により、$g-2$ 異常を説明するためには $Z'$ の質量が数百 MeV 未塔に制限される。
• $m_{Z'} \lesssim 300$ MeV の場合、$B_s$-$\bar{B}_s$ 混合および $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合データは、$g-2$ 異常に必要な $Z'$-媒介寄与と矛盾する。
• $D \to \pi Z'$ などのハドロン崩壊は、$Z'$ 結合をさらに制約し、有効なパラメータ空間を縮小する。
• 標準模型の $U(1)_Y$ と $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 間の運動的混合は、二つの異常間の緊張を著しく緩和しない。
• レア崩壊および混合作業からの既存の制限に違反せずに、$Z'$ ボソンが $g-2$ と $b \to s\bar\mu\mu$ 異常の両方を媒介できるパラメータ空間は存在しない。