[논문 리뷰] Palatable Leptoquark Scenarios for Lepton Flavor Violation in Exclusive $b o s\ell_1\ell_2$ modes

Damir Bečirević, Nejc Košnik외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $B$-메손 붕괴에서의 이４ anomalies, 특히 $R_K$와 $B_s\to\mu\mu$ 위반을 설명하는 렙토퀀크 모델을 분석함으로써 독립적인 $b\to s\ell_1\ell_2$ 붕괴를 조사한다. 스칼라 렙토퀀크가 $(3,2)_{1/6}$ 쌍대체에 있고, 벡터 렙토퀀크가 $(3,3)_{2/3}$ 삼중체에 있는 두 가지 타당한 시나리오를 규명하였으며, $(3,1)_{-1/3}$ 단일체는 배제된다. 연구는 $B_s\to\mu\tau$, $B\to K\mu\tau$, $B\to K^*\mu\tau$의 분해율을 $\mathcal{O}(10^{-5})$ 수준으로 예측하여 향후 실험에 대한 검증 가능한 신호를 제시한다.

ABSTRACT

We examine various scenarios that involve a light ${\cal O}(1 TeV)$ leptoquark state and select those which are compatible with the current experimental values for $\mathcal{B}(B_s o μμ)$, $\mathcal{B}(B o Kμμ)_{\mathrm{large}-q^2}$, $R_K=\mathcal{B^\prime}(B o Kμμ)/\mathcal{B^\prime}(B o Kee)$, and which lead to predictions consistent with other experimental data. We show that two such scenarios are phenomenologically plausible, namely the one with a doublet of scalar leptoquarks of hypercharge $1/6$, and the one with a triplet of vector leptoquarks of hypercharge $2/3$. We also argue that a model with a singlet scalar leptoquark of hypercharge $1/3$ is not viable. Using the present experimental data as constraints, it is shown that the exclusive lepton flavor violating decays, $\mathcal{B}(B_s o μτ)$, $\mathcal{B}(B o K μτ)$ and $\mathcal{B}(B o K^\ast μτ)$, can be as large as $\mathcal{O}(10^{-5})$.

연구 동기 및 목표

• 고체 실험 데이터, 즉 $B_s\to\mu\mu$, $B\to K\mu\mu$의 고-$q^2$ 영역, 그리고 $R_K$에 대해 현재의 데이터와 일치하는 렙토퀀크 모델을 규명하는 것.
• 레프톤의 맛 위반이라는 맥락에서 스칼라 및 벡터 렙토퀀크의 다양한 게이지 양자수 표현의 타당성을 평가하는 것.
• 현재 제약 조건으로부터 덜 제한된 $\mu\tau$ 최종 상태를 포함하는 독립적인 $b\to s\ell_1\ell_2$ 붕괴의 관측 가능한 붕괴율을 예측하는 것.
• 특히 초전하 및 표현 구조에 중점을 두어 스칼라 렙토퀀크 모델이 $R_K$ 이４와 $B_s\to\mu\mu$ 제약 조건과 어떻게 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 스칼라 및 벡터 렙토퀀크를 통해 매개되는 $b\to s\ell_1\ell_2$ 전이에 대한 효과적 양자장 이론 연산자를, 게이지 양자수와 표현을 사용하여 구성한다.
• 효과적 라그랑지안 접근법을 사용하여 $(3,2)_{1/6}$, $(3,2)_{7/6}$, $(3,1)_{-1/3}$, $(3,1)_{2/3}$, $(3,3)_{2/3}$ 등 다양한 렙토퀀크 상태에 대한 윌슨 계수 $C_i^{\ell_1\ell_2}(\mu)$를 계산한다.
• 독립 붕괴율을 계산하기 위해 $B\to K$, $B\to K^*$, $B\to D$ 전이의 격자 QCD 형상 인자들을 사용하여 전체 강입자 행렬 원소를 포함한다.
• 실험 데이터인 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$, $\mathcal{B}(B\to K\mu\mu)_{\text{high-}q^2}$, $R_K$에 대한 렙토퀀크 결합 상수의 글로벌 피팅을 수행한다.
• 전체 $C_9, C_{10}, C_7$ 등 계수 집합을 사용하여 $B_{s}\to\ell_1\ell_2$ 및 $B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$의 각도 분포와 스핀 상태 진폭을 유도한다.
• 격자 결과 [42], [43], [48], [61]의 업데이트된 정보를 사용하여 강입자 불확실성과 형상 인자 입력의 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 실험적 제약 조건, 즉 $\mathcal{B}(B_s\to\mu\mu)$, $\mathcal{B}(B\to K\mu\mu)_{\text{high-}q^2}$, $R_K$에 대해 어떤 렙토퀀크 표현이 일치하는가?
• RQ2 $(3,1)_{-1/3}$ 표현의 스칼라 렙토퀀크가 $R_K$ 이４를 설명하면서도 $B_s\to\mu\mu$ 및 $B\to K\mu\mu$ 데이터와 일치할 수 있는가?
• RQ3 타당한 렙토퀀크 모델에서 $B_s\to\mu\tau$, $B\to K\mu\tau$, $B\to K^*\mu\tau$ 붕괴의 예측 분해율은 무엇인가?
• RQ4 레프톤의 맛 위반 붕괴에서 $B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$ 붕괴의 각도 분포와 스핀 상태 진폭은 렙토퀀크의 양자수와 결합 상수에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 강입자 형상 인자는 렙토퀀크 모델이 주는 렙톤의 맛 위반 $b\to s\ell_1\ell_2$ 붕괴의 신호 강도를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• $(3,2)_{1/6}$ 스칼라 렙토퀀크 쌍대체는 $R_K$ 이４를 설명하고 $B_s\to\mu\mu$ 및 $B\to K\mu\mu$ 제약 조건을 만족시키는 현상학적으로 타당한 시나리오이다.
• $(3,3)_{2/3}$ 벡터 렙토퀀크 삼중체도 타당하며, $B\to K\mu\mu$ 및 $R_K$에 상당한 기여를 하여 데이터와 일치한다.
• $(3,1)_{-1/3}$ 스칼라 렙토퀀크 단일체는 $B_s\to\mu\mu$ 분해율과 $R_K$ 측정치와의 모순로 인해 배제된다.
• 타당한 $(3,2)_{1/6}$ 및 $(3,3)_{2/3}$ 모델에서 $B_s\to\mu\tau$의 분해율은 $\mathcal{O}(10^{-5})$ 수준에 도달할 것으로 예측된다.
• $B\to K\mu\tau$ 및 $B\to K^*\mu\tau$의 분해율도 $\mathcal{O}(10^{-5})$ 수준으로 예측되어 향후 LHCb 및 Belle II 탐색의 유망한 대상이다.
• 이 연구는 강입자 최종 상태의 기여로 인해 더 높은 붕괴율을 보이기 때문에, 순수하게 렙톤 기반 LFV 붕괴보다 $B\to K^{(*)}\ell_1\ell_2$ 붕괴가 렙토퀀크 모델을 더 민감하게 탐지할 수 있음을 보여준다.