[论文解读] Linking lepton number violation with $B$ anomalies

Oscar Catà, Thomas Mannel|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 19

一句话总结

本文提出一个最小的双标量轻子希格斯模型，能够同时解释在 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 中观测到的 $B$-介子异常，同时通过单圈辐射机制生成马约拉纳中微子质量。在由异常约束的轻子希格斯耦合与质量下，该模型自然地产生正确数量级的中微子质量，将轻子味 universality 破坏与低至 TeV 能标下的轻子数破坏联系起来。

ABSTRACT

Hints of violation of lepton flavor universality in semileptonic $B$ decays have prompted a renewed interest in leptoquarks at the low TeV scale. Among the different scenarios suggested, some happen to violate also lepton number, yet not much attention has been paid to the expected size of the associated lepton number violating processes. In this note we examine this issue. We find that there is a single leptoquark scenario compatible with the current size of the anomalies which also violates lepton number. In this scenario (Majorana) neutrino masses are radiatively generated. With the leptoquark parameters extracted from fitting the flavor anomalies, one actually gets the right order of magnitude for neutrino masses. We examine the associated effective field theories both at the electroweak scale and at the hadronic scale and estimate the size of the most relevant lepton number violating processes.

研究动机与目标

• 探索能否通过轻子数破坏机制，使解释 $B$-介子异常的轻子希格斯模型同时解释马约拉纳中微子质量。
• 识别一个与 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常以及辐射中微子质量生成相容的最小轻子希格斯情景。
• 评估此类情景中轻子数破坏过程的理论可行性，特别是针对 LHCb 和 Belle II 实验的探测能力。
• 确定观测到的 $B$-异常的大小是否自然地产生正确数量级的中微子质量。

提出的方法

• 构建一个具有量子数 $\eta(3,2,\frac{1}{6})$ 和 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 的双标量轻子希格斯模型，以描述 $b\to c\ell\ell$ 和 $b\to s\ell\ell$ 的跃迁过程。
• 使用有效场论技术，在电弱能标与强子能标下积分掉轻子希格斯粒子，推导出维度六及更高维的算符。
• 利用 $\chi$ 轻子希格斯的 $t_3=0$ 分量，计算对温伯格算符（$d=5$）的单圈贡献，以生成马约拉纳中微子质量。
• 基于推导出的有效算符，估算轻子数破坏过程的大小，包括 $\Delta L=2$ 跃迁和 $b\to s\nu\bar{\nu}$ 衰变。
• 将预测的中微子质量与观测值进行比较，以检验一致性。
• 评估当前及未来实验（LHCb、Belle II）对探测轻子数破坏信号的探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的轻子希格斯模型能否同时解释 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常，并实现轻子数破坏？
• RQ2 为拟合 $B$-异常而确定的轻子希格斯耦合与质量，是否能自然地生成正确数量级的马约拉纳中微子质量？
• RQ3 该模型中的轻子数破坏过程是否可在 LHCb 或 Belle II 实验中被探测到？
• RQ4 是否存在一个唯一的双轻子希格斯情景，能够同时解释 $B$-异常、中微子质量生成与质子稳定性？
• RQ5 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 轻子希格斯在介导中微子质量与μ子反常磁矩方面分别起什么作用？

主要发现

• 具有 $\eta(3,2,\frac{1}{6})$ 和 $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 轻子希格斯的模型是唯一能同时解释 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常，并通过单圈机制生成马约拉纳中微子质量的双标量情景。
• 当轻子希格斯的耦合与质量由 $B$-异常固定时，通过单圈温伯格算符预测的中微子质量处于正确的数量级。
• 轻子数破坏过程（如 $\Delta L=2$ 跃迁）受到强烈抑制，目前在 LHCb 和 Belle II 实验中尚不可探测。
• $b\to s\nu\bar{\nu}$ 衰变率与标准模型相比有 $\mathcal{O}(1)$ 的偏离，但由于最终态中中微子与反中微子无法区分，这些偏离无法被明确归因于轻子数破坏。
• $\chi(\overline{3},1,\frac{1}{3})$ 轻子希格斯还对μ子反常磁矩有贡献，为与观测到的偏差保持一致提供了额外支持。
• 该模型实现了一个统一框架，其中轻子味 universality 破坏、轻子数破坏与中微子质量生成的标度在低至 TeV 能标下完全一致。