[论文解读] A vector leptoquark interpretation of the muon $g-2$ and $B$ anomalies

Mingxuan Du, Jinhan Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

该论文提出一种矢量轻子球子（U₁ = (3,1,2/3)），可同时解释μ子g-2异常和B介子衰变异常（R_K^{(*)}与R_D^{(*))}）。通过等幅耦合至左手和右手费米子，该模型在不违反现有实验约束的前提下，对Δa_μ产生较大正贡献，同时通过不同耦合独立调节R_K^{(*)}与R_D^{(*))}异常，其参数空间在1.5至4 TeV范围内与LHC约束一致。

ABSTRACT

We show that a single vector leptoquark can explain both the muon $g-2$ anomaly recently measured by the Muon g-2 experiment at Fermilab, and the various $B$ decay anomalies, including the $R_{D^{(*)}}$ and $R_{K^{(*)}}$ anomalies which have been recently reported by the LHCb experiment. In order to provide sizeable positive new physics contributions to the muon $g-2$, we assume that the vector leptoquark particle couples to both left-handed and right-handed fermions with equal strength. Our model is found to satisfy the experimental constraints from the large hadron collider.

研究动机与目标

• 解决费米实验室Muon g-2实验观测到的μ子反常磁矩长期存在的差异（Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹）
• 同时解释B介子衰变异常，特别是R_K^{(*)} < 1与R_D^{(*)} > 1，这表明存在轻子味 universality 的破坏
• 构建一个仅含一个矢量轻子球子的最小模型，满足对重子对生产、单个生产及高pT二轻子搜索的严格LHC约束
• 证明左手和右手耦合在产生大而正的Δa_μ贡献中均不可或缺，且不违反现有实验界限

提出的方法

• 假设一个在SU(3)_c × SU(2)_L × U(1)_Y下变换为(3,1,2/3)的矢量轻子球子U₁，通过矢量型相互作用耦合至左手和右手SM费米子
• 使用相互作用拉格朗日量：𝒟 = x_ij^L (Q_L^i γ_μ L_L^j) U₁^μ + x_ij^R (d_R^i γ_μ ℓ_R^j) U₁^μ + h.c.，其中i,j为世代指标，通过V实现CKM混合
• 设定x_bτ = 5x_bμ以增强R_D^{(*)}至超过SM值，设定x_sμ = -0.005（与x_bμ符号相反）以抑制R_K^{(*)}至低于SM值
• 通过U₁在μ子自能中的单圈贡献计算Δa_μ，主要贡献来自U₁–μ–b与U₁–μ–τ顶点
• 利用从U₁交换在b→sℓℓ与b→cℓν跃迁中导出的有效哈密顿量评估R_K^{(*)}与R_D^{(*)}
• 应用LHC约束：高pT二轻子搜索（x_bμ < 1）与重子对产生搜索（m_U₁ > 1.5 TeV），以限制可行参数空间

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的矢量轻子球子是否能在一致框架内同时解释μ子g-2异常与B介子衰变异常（R_K^{(*)}，R_D^{(*))}）？
• RQ2 左手和右手耦合在产生大而正的Δa_μ贡献中分别起什么作用，同时满足LHC约束？
• RQ3 在新物理贡献中要求相反符号的前提下，该模型能否同时解释R_K^{(*)} < 1与R_D^{(*)} > 1？
• RQ4 满足所有当前实验约束的矢量轻子球子的可行质量与耦合范围是什么？
• RQ5 高pT二轻子与重子对产生搜索的约束如何塑造允许的参数空间？

主要发现

• 矢量轻子球子U₁的质量范围1.5–4 TeV是可行的，可同时解释μ子g-2异常（Δa_μ ≈ 251×10⁻¹¹）与B衰变异常R_K^{(*)}与R_D^{(*))}
• 模型要求对左手和右手费米子具有相等的耦合强度（x_L = x_R），以通过矢量型相互作用产生大而正的Δa_μ贡献
• R_K^{(*)}异常（R_K^{(*)} < 1）由负的x_sμ耦合解释，而R_D^{(*)}异常（R_D^{(*)} > 1）则由大的x_bτ耦合（x_bτ = 5x_bμ）驱动
• LHC高pT二轻子搜索约束排除了m_U₁ > 3.5 TeV时x_bμ > 1的情况，而重子对产生搜索排除了m_U₁ < 1.5 TeV的范围
• 1.5 TeV至4 TeV的参数空间仍与所有当前LHC限制一致，支持对所有异常的同时解释
• 该模型通过不同耦合结构实现R_K^{(*)}与R_D^{(*)}的独立调节，避免了标量轻子球子模型中常见的张力