[论文解读] Are the B-anomalies evidence for heavy neutrinos?

Xiao-Gang He, G. Valencia|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了在Type-I seesaw模型中，重右手中微子是否可以通过修改$b \to s\mu^+\mu^-$衰变中的威尔逊系数$C_9$和$C_{10}$来解释B介子异常——特别是$R_K$和$R_{K^*}$的偏差。研究发现，为拟合这些异常，需要较大的μ子-重中微子混合角（$|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$），但这与轻子味破坏过程的全局拟合结果不一致。

ABSTRACT

The existing anomalies appearing in decays of the form $b o s \ell^+ \ell^-$ constitute a possible hint for new physics. We point out that modifications to the SM results due to heavy neutrinos could account for the observed deviations while satisfying existing constraints from lepton flavor violating processes. The required mixing angle, however, is an order of magnitude larger than suggested by recent global fits to lepton flavor conserving processes. We frame our discussion in terms of a Type-I seesaw model, but it can be made more general.

研究动机与目标

• 评估Type-I seesaw模型中的重中微子是否能在不违反轻子味破坏（LFV）约束的前提下，解释观测到的$b \to s\mu^+\mu^-$异常。
• 确定为重现标准模型中$R_K$和$R_{K^*}$偏离实验测量值，μ子与重中微子之间所需的混合角大小。
• 评估该模型与现有稀有衰变（如$\mu \to e\gamma$和$B \to \ell^+\ell^-$）实验限制的一致性。
• 评估该模型对μ子$g-2$的影响，并与观测到的异常进行比较。
• 将该模型的预测与全局拟合中威尔逊系数的预测进行对比，特别是与数据所青睐的$C_9 \approx -C_{10}$模式进行对比。

提出的方法

• 构建一个包含三个轻子和$N \geq 2$个重右手中微子的Type-I seesaw模型，使用$(\nu_L^c, \nu_R)$基下的中微子质量矩阵。
• 通过顶夸克和重中微子参与的盒图，推导出$b \to s\ell^+\ell^-$衰变的有效哈密顿量，计算新物理对$C_9$和$C_{10}$的贡献。
• 将新物理对威尔逊系数的贡献计算为$C^{NP}_{9}(M_W) = -C^{NP}_{10}(M_W) = -\frac{1}{4s_W^2} \sum_N U^{L*}_{\mu N}U^{L}_{\mu N} E(\lambda_t, \lambda_N)$，其中$E$为Inami-Lim函数。
• 利用有效拉格朗日量${\cal L} \propto \sum_N U^{L*}_{\ell N}U^{L}_{\ell'N} F(\lambda_N)$，结合Inami-Lim函数$F$，对辐射轻子衰变($\ell \to \ell'\gamma$)和LFV $B$衰变施加约束。
• 利用粒子数据手册中的实验限制，约束混合角$U^{L}_{\ell N}$，特别关注$\mu \to e\gamma$和$B \to \mu^\pm e^\mp$。
• 将重中微子圈图预测的$g-2$修正与μ子反常磁矩观测到的偏差进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含重中微子的Type-I seesaw模型中，是否能同时满足LFV约束并解释观测到的$b \to s\mu^+\mu^-$异常？
• RQ2 为在全局拟合的1$\sigma$范围内重现$R_K$和$R_{K^*}$异常，μ子-重中微子混合角$|U^{L}_{\mu N}|$的大小需求是多少？
• RQ3 此类重中微子对μ子$g-2$的预测贡献与观测到的偏差相比如何？
• RQ4 所需混合角$|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$是否与轻子味守恒过程的全局拟合结果相容？
• RQ5 该模型能否同时解释$R(D)$和$R(D^*)$异常，还是需要额外的轻中微子？

主要发现

• 该模型可在全局拟合所青睐的范围内，通过$C_{9\mu}^{NP} \approx -C_{10\mu}^{NP}$的取值$[-0.73, -0.48]$重现$R_K$和$R_{K^*}$异常。
• 当重中微子质量为$M_N = 2$ TeV时，需$|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$才能拟合异常，这比轻子味守恒过程全局拟合所建议的值大一个数量级。
• 该大混合角$|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$导致μ子$g-2$的预测修正为$a_\mu = -5.7 \times 10^{-10}$，虽在实验不确定度内，但低于观测到的异常。
• 同时满足B异常拟合与LFV约束的参数空间较窄，当$U^{L}_{eN} = 0$时，主要约束来自$\tau \to \mu\gamma$。
• 该模型无法解释$R(D)$和$R(D^*)$异常，这需要如其他研究建议的额外轻中微子。
• 要求$|U^{L}_{\mu N}| \sim 0.3$与近期全局拟合结果相矛盾，后者将此类混合角约束得小得多，表明与现有数据存在张力。