[论文解读] The third type of fermion mixing and indirect limits on the Pati-Salam leptoquark mass

А. В. Кузнецов, Н. В. Михеев+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2012

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文研究了基于夸克-轻子对称性的标准模型的Pati-Salam型扩展，其规范群为 $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_R$，表明为保持一致性，必须引入一种不同于标准PMNS和CKM混合的第三类费米子混合。利用稀有衰变数据，本文推导出对矢量轻子球质量的更新间接约束，发现在非对称混合情形下，$M_X > 41~\text{TeV}$，由于LHC新数据对 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变的测量，该结果比以往约束提高了一个数量级以上。

ABSTRACT

The low-energy manifestations of a minimal extension of the electroweak standard model based on the quark-lepton symmetry $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes G_R$ of the Pati-Salam type are analyzed. Given this symmetry the third type of mixing in the interactions of the $SU(4)_V$ leptoquarks with quarks and leptons is shown to be required. An additional arbitrariness of the mixing parameters could allow, in principle, to decrease noticeably the indirect lower bound on the vector leptoquark mass originated from the low-energy rare processes, strongly suppressed in the standard model.

研究动机与目标

• 分析基于夸克-轻子对称性的最小Pati-Salam型标准模型扩展在低能物理中的表现。
• 识别并表征在 $SU(4)_V$ 轻子球相互作用中此前未被考虑的“第三类”费米子混合。
• 利用对稀有奇异夸克和B介子衰变的新实验限制，推导对矢量轻子球质量的间接约束。
• 评估左右手混合矩阵不对称性对这些间接约束强度的影响。

提出的方法

• 该模型采用规范群 $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_R$，费米子在 $SU(4)_V$ 和 $SU(2)_L$ 的基本表示下变换。
• 第三类混合源于左、右手费米子分别独立的 $SU(4)_V$ 混合矩阵 $\mathcal{D}^{(L)}$ 和 $\mathcal{D}^{(R)}$。
• 通过包含轻子球耦合的有效拉格朗日量，计算如 $K^0_L \to e^\pm\mu^\mp$、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0_s \to e^+\mu^-$ 等稀有过程的理论振幅。
• 通过将理论分支比与CMS和LHCb对 $B^0_d$、$B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变的实验上限进行比较，推导出约束条件。
• 分析区分对称情形（$\mathcal{D}^{(L)} \sim \mathcal{D}^{(R)}$）与非对称情形（$\mathcal{D}^{(L)} \neq \mathcal{D}^{(R)}$）的混合。
• 最终约束通过在非对称混合假设下，结合来自 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0_s \to e^+\mu^-$ 衰变的最严格约束得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $SU(4)_V$ 轻子球模型中，第三类费米子混合在标准CKM和PMNS混合之外起到什么作用？
• RQ2 独立的左右手混合矩阵如何影响对矢量轻子球质量的间接约束？
• RQ3 LHC对稀有 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 衰变的新数据对间接质量约束有何影响？
• RQ4 非对称混合情形是否能显著削弱对轻子球质量的间接下限约束？

主要发现

• 在 $SU(4)_V \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_R$ 模型中，为保持与低能现象学的一致性，必须引入第三类费米子混合。
• 在对称混合情形下，矢量轻子球质量的间接下限为 $M_X > 38~\text{TeV}$。
• 在非对称混合情形下，由于 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0_s \to e^+\mu^-$ 衰变贡献被抑制，约束提升至 $M_X > 41~\text{TeV}$。
• LHCb对 $Br(B^0_s \to \mu^+\mu^-) < 3.8 \times 10^{-9}$ 的新数据显著收紧了约束，在非对称情形下得出 $M_X > 94~\text{TeV} \cdot |\cos\chi_L|^{1/2}$。
• 最终约束 $M_X > 41~\text{TeV}$ 具有鲁棒性，并与来自 $B^0_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $B^0_s \to e^+\mu^-$ 衰变限制的最强约束一致。
• 结果表明，与初始预期相反，非对称混合并未导致间接约束的显著降低，约束仍保持在40 TeV以上。