[论文解读] Global Fit of Modified Quark Couplings to EW Gauge Bosons and Vector-Like Quarks in Light of the Cabibbo Angle Anomaly

Andreas Crivellin, M. Kirk+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文对修正的W玻色子与夸克及矢量型夸克（VLQs）的耦合进行了全局拟合，以解决Cabibbo角异常问题，即在$V_{us}$测量值与第一行CKM幺正性之间存在3σ的张力。结果表明，SU(2)$_L$二重态矢量型夸克可同时通过生成对$u$-$d$和$u$-$s$夸克的右手中性W耦合，解释这些异常，同时满足电弱精确测量可观测量和味改变中性流的约束。

ABSTRACT

There are two tensions related to the Cabibbo angle of the CKM matrix. First, the determinations of $V_{us}$ from $K_{μ2}$, $K_{\ell3}$, and $τ$ decays disagree at the $3σ$ level. Second, using the average of these results in combination with $β$ decays (including super-allowed $β$ decays and neutron decay), a deficit in first-row CKM unitarity with a significance of again about $3σ$ is found. These discrepancies, known as the Cabibbo Angle anomaly, can in principle be solved by modifications of $W$ boson couplings to quarks. However, due to $SU(2)_L$ invariance, $Z$ couplings to quarks are also modified and flavour changing neutral currents can occur. In order to consistently assess the agreement of a new physics hypothesis with data, we perform a combined analysis for all dimension-six Standard Model Effective Field Theory operators that generate modified $W$ couplings to first and second generation quarks. We then study models with vector-like quarks, which are prime candidates for a corresponding UV completion as they can affect $W$-quark couplings at tree level, and we perform a global fit including flavour observables (in particular loop effects in $ΔF=2$ processes). We find that the best fit can be obtained for the $SU(2)_L$ doublet vector-like quark $Q$ as it can generate right-handed $W$-$u$-$d$ and $W$-$u$-$s$ couplings as preferred by data.

研究动机与目标

• 解决Cabibbo角异常问题，即来自$K_{\mu 2}$、$K_{\ell 3}$和$\tau$衰变的$V_{us}$测量值之间存在3σ张力，以及第一行CKM幺正性不足的问题。
• 评估修正的$W$-玻色子与夸克耦合是否能同时缓解这两种张力，同时保持$SU(2)_L$规范不变性。
• 通过包含电弱精确测量可观测量、$Z$-玻色子耦合以及味改变中性流（FCNCs）的全局拟合，约束新物理场景。
• 研究矢量型夸克（VLQs）作为修正$W$-夸克耦合的紫外完备实现，包括在$\Delta F=2$过程中的圈图效应。
• 确定哪种VLQ表示（单重态或二重态）最能解释这些异常，同时与现有实验约束保持一致。

提出的方法

• 在标准模型有效场论（SMEFT）框架内进行全局拟合，包含所有修正$W$-夸克耦合至第一代和第二代夸克的维度6算符。
• 将矢量型夸克（VLQ）模型与SMEFT算符匹配，重点研究通过树图生成修正$W$-夸克耦合的机制。
• 包含VLQ对$\Delta F=2$过程（如$K^0$-$\bar{K}^0$混合）的圈图贡献，以约束味改变效应。
• 利用来自$K$衰变、$W$-玻色子分支比、电弱精确测量可观测量（EWPOs）以及$B$物理的实验数据，约束参数空间。
• 通过`smelli`软件进行贝叶斯分析，计算后验分布并评估不同EFT与VLQ情景下的拟合优度。
• 比较不同VLQ表示（单重态与二重态）及算符结构的拟合质量，包括在$Z$耦合中$C^{(1)}_{Hq}$与$C^{(3)}_{Hq}$之间的抵消效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 修正的$W$-玻色子与夸克耦合能否同时缓解$V_{us}$张力与CKM幺正性缺陷？
• RQ2 $Z$-玻色子与夸克的耦合（由$SU(2)_L$不变性诱导）如何约束修正$W$-耦合情景的可行性？
• RQ3 哪种矢量型夸克表示（单重态或二重态）最能解释Cabibbo角异常，同时满足味物理与电弱精确测量约束？
• RQ4 在$\Delta F=2$过程（如$K^0$-$\bar{K}^0$混合）中的圈图效应在多大程度上排除或约束具有修正$W$-夸克耦合的VLQ模型？
• RQ5 包含SMEFT算符与VLQ紫外完成的全局拟合能否识别出Cabibbo角异常的优选新物理情景？

主要发现

• Cabibbo角异常——表现为$V_{us}$测量值之间的3σ张力以及第一行CKM幺正性不足——可通过修正的$W$-夸克耦合一致地解决。
• SU(2)$_L$二重态矢量型夸克（$Q$）对数据提供了最佳拟合，因其能自然生成对$u$-$d$和$u$-$s$夸克所需的右手中性$W$-耦合。
• 全局拟合显示，二重态VLQ模型的拟合质量显著优于单重态模型，尤其因其可在树图层次生成所需的$W$-耦合结构。
• 二重态VLQ模型满足来自$K^0$-$\bar{K}^0$混合及其他$\Delta F=2$过程的约束，表明其与味物理一致。
• $Z$-夸克耦合中$C^{(1)}_{Hq}$与$C^{(3)}_{Hq}$算符之间的抵消对于抑制FCNC并保持与精确数据的兼容性至关重要。
• 最佳拟合情景中，$C^{(3)}_{Hq}$与$C_{Hud}$算符非零，且二重态VLQ表示为有效理论提供了最可行的紫外完成。