[논문 리뷰] Shedding light on the $b o s$ anomalies with a dark sector

D. Aristizábal Sierra, Florian Staub외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 76

한 줄 요약

이 논문은 LHCb에서 관측된 $b\to s$ 비정상 현상들을 설명하기 위해 표준모형의 U(1) 게이지 확장과 어둠의 물질 세그먼트를 제안한다. 질량이 있는 $Z'$ 보손이 루프 유도된 결합을 통해 쿼라르-변형 중성미류를 매개하며, $R_K$와 각도 관측량을 성공적으로 맞추면서 제약 조건이 있는 매개변수 공간을 가진 타당한 암흑 물질 후보를 제공한다.

ABSTRACT

The LHCb collaboration has recently reported on some anomalies in $b o s$ transitions. In addition to discrepancies with the Standard Model (SM) predictions in some angular observables and branching ratios, an intriguing hint for lepton universality violation was found. Here we propose a simple model that extends the SM with a dark sector charged under an additional $U(1)$ gauge symmetry. The spontaneous breaking of this symmetry gives rise to a massive $Z^\prime$ boson, which communicates the SM particles with a valid dark matter candidate, while solving the $b o s$ anomalies with contributions to the relevant observables.

연구 동기 및 목표

• B 붕괴에서 관측된 지속적인 $b\to s$ 비정상 현상, 특히 표준모형에서의 $P_5'$와 $R_K$의 편차를 다루기 위해.
• 표준모형의 최소한의 확장으로 맛 비정상 현상과 타당한 어둠의 물질 후보를 통합적으로 설명하기 위해.
• 표준모형 외의 $Z'$-매개 기여와 어둠의 물질 잔류 밀도의 상호작용을 통해 매개변수 공간을 제약하기 위해.
• LHC에서의 $Z'$ 생성과 힉스 결합 변화를 통한 현상물리적 타당성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 복소 스칼라 어둠의 물질 후보와 벡터-유사 렙톤 이중체를 포함한 $U(1)_X$ 게이지 대칭을 도입한다.
• 히긴스 메커니즘을 통해 $U(1)_X$를 자발적으로 비대칭화하여 질량이 있는 $Z'$ 보손을 생성하고, 표준모형 페르미온과의 혼합을 통해 결합한다.
• 표준모형 렙톤과 벡터-유사 상태 사이의 요카다 결합을 구현하여, 루프 수준에서 효과적인 $b\to s\mu\mu$ 및 $b\to s\mu\mu$ 연산자를 이끌어낸다.
• 벡터-유사 페르미온과 $Z'$를 포함한 일중 루프 다이어그램을 통해 윌슨 계수 $C_9^{\text{NP}}$와 $C_7^{\text{NP}}$를 계산한다.
• 표준모형 외의 기여를 $R_K$ 측정치, $B\to K^*\mu\mu$의 각도 관측량, 플랑크 어둠의 물질 잔류 밀도 한계를 통해 모델 매개변수를 제약한다.
• LHC에서의 $Z'$ 생성과 $h\to\mu\mu$ 결합 억제를 통해 현상물리 신호를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠의 $U(1)_X$ 세그먼트에서 기인하는 $Z'$ 보손이 동시에 $b\to s$ 비정상 현상과 어둠의 물질 후보를 설명할 수 있는가?
• RQ2 루프에 의해 유도된 $Z'$의 뮤온과 쿼크에 대한 결합은 $R_K$와 $P_5'$ 관측량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $Z'$-매개 맛 물리학과 어둠의 물질 잔류 밀도의 상호작용에서 유도되는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 $h\to\mu\mu$ 결합과 LHC에서의 $Z'$ 생성은 모델의 매개변수 공간에 얼마나 민감한가?
• RQ5 벡터-유사와 표준모형 페르미온 사이의 요카다 혼합 계층은 모델의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준모형에서의 $2.6\sigma$ 편차를 보이는 $R_K = 0.745^{+0.090}_{-0.074}$ 측정치를 성공적으로 설명하며, $C_9^{\text{NP}}$가 $Z'$ 기여의 주요 기여를 차지한다.
• 트리 수준의 $Z'$ 교환은 $\mu\mu$ 최종 상태에 대해 $C_9^{\text{NP}}$의 주요 기여를 제공하며, $C_7^{\text{NP}}$는 보조 기여로 남아 있어 ($<1\%$ 변화).
• $h\to\mu\mu$ 결합은 표준모형 값 이하로 감소하며, ATLAS의 $95\%$ 신뢰수준 상한선인 $\mu_{\mu\mu} < 9.8$과 일치한다. 이에 따라 $g_{h\mu\mu} \lesssim 3.1g_{h\mu\mu}^{\text{SM}}$가 된다.
• 표준모형 외의 기여를 $R_K$, $P_5'$, 플랑크 $\Omega_{\text{DM}}h^2$ 한계를 통해 제약함으로써 얇고 예측 가능한 매개변수 공간을 예측한다.
• 맛 위반 제약을 피하기 위해 첫 번째 표준모형 세대에 대한 요카다 결합은 강하게 억제된다 ($\lambda_{L}^{e}, \lambda_{Q}^{d} \ll \lambda_{L}^{\mu,\tau}, \lambda_{Q}^{s,b}$).
• 최신 글로벌 피팅에 따라 모델은 유지되며, $R_K$를 포함한 경우 표준모형 대비 $>4\sigma$의 유의수준에서 표준모형 외의 가설이 선호된다.