[论文解读] Probing SUSY effects in $K_S^0 ightarrow\mu^+\mu^-$

Veronika Chobanova, Giancarlo D’Ambrosio+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 93被引用 10

一句话总结

本文利用最小超对称标准模型（MSSM）和质量插入近似（MIA）研究了超对称（SUSY）对稀有奇异介子衰变 $K_S^0 \to \mu^+\mu^-$ 的贡献。结果表明，味 violating Higgs penguin 图可使分支比增强至 $35 \times 10^{-12}$，或抑制至 $0.78 \times 10^{-12}$，而通过精细调节参数可使分支比达到当前实验上限 $8 \times 10^{-10}$。研究还预测，在 $K^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变中存在 CP 不对称性，其大小可达到标准模型预测值的八倍。

ABSTRACT

We explore supersymmetric contributions to the decay $K_S^0 ightarrow\mu^+\mu^-$, in light of current experimental data. The Standard Model (SM) predicts $\mathcal{B}(K_S^0 ightarrow\mu^+\mu^-)\approx5 imes 10^{-12}$. We find that contributions arising from flavour violating Higgs penguins can enhance the branching fraction up to $\approx 35 imes 10^{-12}$ within different scenarios of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), as well as suppress it down to $\approx 0.78 imes 10^{-12}$. Regions with fine-tuned parameters can bring the branching fraction up to the current experimental upper bound, $8 imes 10^{-10}$. The mass degeneracy of the heavy Higgs bosons in MSSM induces correlations between $\mathcal{B}(K_S^0 ightarrow\mu^+\mu^-)$ and $\mathcal{B}(K_L^0 ightarrow\mu^+\mu^-)$. Predictions for the $CP$ asymmetry in $K^0 ightarrow\mu^+\mu^-$ decays in the context of MSSM are also given, and can be up to eight times bigger than in the SM.

研究动机与目标

• 研究超对称（SUSY）对稀有衰变 $K_S^0 \to \mu^+\mu^-$ 的影响，特别是在最小超对称标准模型（MSSM）框架下的表现。
• 评估 $K_S^0 \to \mu^+\mu^-$ 分支比对 MSSM 中味破坏 Higgs penguin 贡献及质量插入参数的敏感性。
• 研究由于 MSSM 中重 Higgs 粒子质量简并，$B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 与 $B(K_L^0 \to \mu^+\mu^-)$ 之间的关联性。
• 在 MSSM 框架内预测 $K^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变中的 CP 不对称性，并与标准模型的预期进行比较。
• 利用 $B(K_L^0 \to \mu^+\mu^-)$、$\varepsilon_K'$、$\varepsilon_K$、$\Delta M_K$ 和 $B(B^+ \to \tau^+ \nu_\tau)$ 的实验约束，对 MSSM 参数空间进行限制。

提出的方法

• 使用质量插入近似（MIA）将味破坏的 SUSY 参数视为在 SUSY 能标下的有效耦合，通过 $\delta^{LL(RR)}_{d,12}$ 参数化。
• 计算 $|\Delta S| = 1$ 和 $|\Delta S| = 2$ 运算子的威尔逊系数，包括胶微子盒图、带电粒子- Z penguin 图及胶磁偶极矩贡献。
• 在图形处理器（GPUs）上对 MSSM 参数空间进行全局扫描，整合来自 $B(K_L^0 \to \mu^+\mu^-)$、$\varepsilon_K'$、$\varepsilon_K$、$\Delta M_K$、$B(B^+ \to \tau^+ \nu_\tau)$ 和 $\Delta C_7$ 的约束。
• 利用圈函数 $l(x,y)$、$F(x,y)$、$G(x,y)$ 和 $H(x,y)$ 评估分支比 $B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 和 CP 不对称性，其解析表达式在附录中推导。
• 基于 $\chi^2$ 的分析应用理论与实验约束，将 $\Delta M_K$ 的理论不确定性设为 100%，以避免过度约束。
• 采用格点 QCD 的 $(\varepsilon'_K/\varepsilon_K)^{\text{SM}}$ 值，并在分析中同时包含实验与理论的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MSSM 中的味破坏 Higgs penguin 贡献如何影响 $K_S^0 \to \mu^+\mu^-$ 的分支比？
• RQ2 MSSM 是否能产生超过标准模型预测的 $K^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变中的 CP 不对称性？若能，超出多少？
• RQ3 在 MSSM 中，特别是在重 Higgs 粒子质量简并条件下，$B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 与 $B(K_L^0 \to \mu^+\mu^-)$ 之间存在何种关联？
• RQ4 通过精细调节 MSSM 参数，$B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 最多可被提升至多接近当前实验上限 $8 \times 10^{-10}$？
• RQ5 来自 $B(K_L^0 \to \mu^+\mu^-)$、$\varepsilon_K'$、$\varepsilon_K$、$\Delta M_K$ 和 $B(B^+ \to \tau^+ \nu_\tau)$ 的约束如何塑造该衰变过程的可行 MSSM 参数空间？

主要发现

• 由于 MSSM 中的味破坏 Higgs penguin 贡献，分支比 $B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 可增强至最高 $35 \times 10^{-12}$，显著超过标准模型预测值 $5.18 \times 10^{-12}$。
• 在某些 MSSM 场景中，分支比也可能被抑制至低至 $0.78 \times 10^{-12}$，表明其对 SUSY 参数具有强烈敏感性。
• 通过精细调节 MSSM 参数区域，可使 $B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 接近当前实验上限 $8 \times 10^{-10}$，但此类区域受到高度约束。
• $K^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变中的 CP 不对称性可达到标准模型预测值的八倍，为新物理提供了强有力的探测手段。
• 由于 MSSM 中重 Higgs 粒子质量简并，$B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 与 $B(K_L^0 \to \mu^+\mu^-)$ 之间出现相关性，使得两种衰变对相同的 SUSY 参数均敏感。
• 本研究确认，结合 $K_L^0 \to \mu^+\mu^-$ 和 $\varepsilon_K'$ 的约束，$B(K_S^0 \to \mu^+\mu^-)$ 仍是探测 MSSM 味破坏的强有力工具。