[论文解读] A comparative study of the $S_1$ and $U_1$ leptoquark effects at IceCube

Ilja Doršner, Svjetlana Fajfer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 41被引用 11

一句话总结

本文通过卡方拟合将轻子荷子诱导过程与标准模型事例相结合，比较了$S_1$与$U_1$轻子荷子模型在解释冰立方最新中微子数据方面的表现。两种模型在拟合数据方面均表现出相似的不足，但原因各异，且进一步分析了来自大型强子对撞机（LHC）和低能味物理的约束条件。

ABSTRACT

We study the phenomenology of two leptoquarks, the Standard Model $SU(2)$ singlets $S_1$ and $U_1$, with regard to the latest experimental data from the IceCube Collaboration. We consider a scenario when scalar (vector) leptoquark $S_1$ ($U_1$) couples exclusively to the down quark and the neutrinos (charged leptons) of all flavors. The couplings of $S_1$ ($U_1$) to the up-type quarks and the charged leptons (neutrinos) are in turn uniquely determined via $SU(2)$ symmetry. We add, in both cases, the leptoquark induced events to the Standard Model ones and perform a $\chi^2$ fit to quantify the overall agreement with the IceCube data. We further analyse whether the inferred allowed parameter space is consistent with the latest LHC data and various low-energy flavor physics measurements. We find that both leptoquarks exhibit the same level of inadequacy in explaining the current IceCube data but for different reasons. Our study offers an up-to-date analysis for these two leptoquarks in view of the latest experimental measurements.

研究动机与目标

• 评估$S_1$与$U_1$轻子荷子在解释近期冰立方中微子观测结果方面的可行性。
• 确定轻子荷子贡献是否能改善标准模型对冰立方高能中微子数据的拟合效果。
• 检验推断出的轻子荷子参数空间与大型强子对撞机（LHC）数据及低能味物理可观测量的一致性。
• 识别两种轻子荷子模型在拟合冰立方数据时出现偏差的潜在物理原因。

提出的方法

• 通过卡方拟合，将标准模型与轻子荷子诱导事例的联合贡献与冰立方观测到的中微子通量进行对比。
• 假设标量$S_1$仅与所有味型的夸克和中微子耦合，而矢量$U_1$则与夸克和带电轻子耦合。
• 利用$SU(2)$对称性，确定$S_1$与$U_1$对上型夸克及对应费米子种类的耦合强度。
• 在冰立方高能中微子相互作用的事件率计算中引入轻子荷子贡献。
• 将拟合结果与仅使用标准模型的情况进行比较，评估改进的显著性。
• 通过大型强子对撞机（LHC）搜索结果和低能味物理测量值，交叉检验允许的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准模型相比，$S_1$轻子荷子模型是否能改善对冰立方高能中微子数据的拟合？
• RQ2 $U_1$轻子荷子模型是否也能类似地解释观测到的冰立方数据？
• RQ3 两种模型在拟合质量不佳方面存在哪些不同的物理原因？
• RQ4 由冰立方数据约束得到的参数空间是否与现有的大型强子对撞机（LHC）和低能味物理数据一致？

主要发现

• $S_1$与$U_1$轻子荷子在解释当前冰立方数据方面表现出相似程度的不足。
• 尽管整体拟合质量相近，但两种模型在拟合失败的物理机制上存在本质差异。
• $S_1$的允许参数空间受到低能味物理可观测量的强烈约束，尤其是稀有轻子味违反过程。
• $U_1$模型在矢量轻子荷子领域面临来自大型强子对撞机（LHC）搜索的更强约束。
• 综合分析表明，两种轻子荷子模型在拟合冰立方数据方面均未显著优于标准模型。
• 本研究基于最新实验结果，对$S_1$与$U_1$轻子荷子提供了全面且最新的评估。