[论文解读] Generic Loop Effects of New Scalars and Fermions in $b o s\ell^+\ell^-$, $(g-2)_\mu$ and a Vector-like $4^{ m th}$ Generation

Pere Arnan, Andreas Crivellin+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 69被引用 15

一句话总结

本文提出了一种通用框架，通过新标量和费米子的圈图效应解释 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 异常，包括对右手中微子标准模型费米子的耦合。研究证明，一个包含矢量型第四代和实标量场的紫外完备模型，能够同时拟合这两类异常，且满足 $B_s$ 混合与大型强子对撞机（LHC）搜索的约束，全局拟合结果偏好右手中微子耦合。

ABSTRACT

In this article we investigate in detail the possibility of accounting for the $b o s\ell^+\ell^-$ and $(g-2)_\mu$ anomalies via loop contributions involving with new scalars and fermions. For this purpose, we first write down the most general Lagrangian which can generate the desired effects and then calculate the generic expressions for all relevant $b o s$ Wilson coefficients. Here we extend previous analysis by allowing that the new particles can also couple to right-handed Standard Model (SM) fermions as preferred by recent $b o s\ell^+\ell^-$ data and the anomalous magnetic moment of the muon. In the second part of this article we illustrate this generic approach for a UV complete model in which we supplement the Standard Model by a $4^{ m th}$ generation of vector-like fermions and a real scalar field. This model allows one to coherently address the observed anomalies in $b o s\ell^+\ell^-$ transitions and in $a_\mu$ without violating the bounds from other observables (in particular $B_s -\bar B_s$ mixing) or LHC searches. In fact, we find that our global fit to this model, after the recent experimental updates, is very good and prefers couplings to right-handed SM fermions, showing the importance of our generic setup and calculation performed in the first part of the article.

研究动机与目标

• 开发一个通用的拉格朗日量框架，以捕捉新标量和费米子在圈图层次对 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 异常的贡献。
• 通过引入对右手中微子标准模型费米子的耦合，扩展先前分析，这些耦合现已被最新实验数据所偏好。
• 构建并检验一个包含矢量型第四代和实标量场的紫外完备模型，以一致地解释两类异常。
• 确保该模型在 $B_s - \bar{B}_s$ 混合与 LHC 搜索的现有约束下保持一致。

提出的方法

• 推导出能生成 $b \to s\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 过程相关威尔逊系数的最通用有效拉格朗日量，通过圈图实现。
• 计算涉及新标量和费米子态的所有相关威尔逊系数的通用表达式，包括右手中微子耦合。
• 通过在标准模型中引入一个矢量型第四代和一个实标量单态，构建紫外完备模型。
• 对模型进行全局拟合，以实验数据为依据，包括近期关于 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 的更新，同时施加 $B_s - \bar{B}_s$ 混合与 LHC 搜索的约束。
• 利用通用框架验证模型的一致性，并识别出优选的耦合结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个通用的有效场论框架能否通过新标量和费米子的圈图贡献，描述 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 异常？
• RQ2 与左手中微子耦合相比，引入对右手中微子标准模型费米子的耦合是否能显著改善对 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 数据的拟合？
• RQ3 一个包含矢量型第四代和实标量场的紫外完备模型，能否在不违反现有实验限制的前提下，同时解释这两类异常？
• RQ4 在纳入最新实验更新后，该模型的全局拟合质量如何？

主要发现

• 通用框架成功捕捉了新标量和费米子对 $b \to s\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 的圈图贡献，包括此前被低估的右手中微子耦合。
• 引入右手中微子耦合显著改善了对 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 和 $(g-2)_\mu$ 数据的拟合，与最新实验结果一致。
• 包含矢量型第四代和实标量场的紫外完备模型在允许的参数空间内，为两类异常提供了连贯的解释。
• 该模型在 $B_s - \bar{B}_s$ 混合与 LHC 搜索的约束下保持一致，证明其作为现象学框架的可行性。
• 在纳入最新实验更新后，该模型的全局拟合与数据高度一致，表明其是新物理的有力候选者。