[论文解读] $b ightarrow s \mu^+ \mu^-$ anomalies and related phenomenology in $U(1)_{B_3 - x_\mu L_\mu - x_ au L_ au}$ flavor gauge models

Pyungwon Ko, Takaaki Nomura+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 73被引用 9

一句话总结

该论文提出一个 U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} 额外规范玻色子模型，以解释 B 介子衰变中观测到的 b → sμ⁺μ⁻ 异常。通过赋予轻子味非统一的 U(1)X 电荷（特别是 xₘ = −1/3），该模型生成一个 TeV 量级的 Z′ 玻色子，诱导了威尔逊系数 ∆Cₘ⁹ ≈ −1 的显著负向修正，与 LHCb 实验数据一致。该最小模型还通过 Type-I seesaw 机制解释中微子质量，通过一个狄拉克费米子实现暗物质，并满足来自 LFV、Bs–B̄s 混合以及遗迹密度的约束条件。

ABSTRACT

We propose a generation dependent lepton/baryon gauge symmetry, $U(1)_{B_3 - x_\mu L_\mu - x_ au L_ au} \equiv U(1)_X$ (with $x_\mu + x_ au =1$ for anomaly cancellation), as a possible solution for the $b ightarrow s \mu^+ \mu^-$ anomalies. By introducing two Higgs doublet fields, we can reproduce the observed CKM matrix, and generate flavor changing $Z'$ interactions in the quark sector. Thus one can explain observed anomalies in $b o s \ell^+ \ell^-$ decay with the lepton non-universal $U(1)_X$ charge assignments. We show the minimal setup explaining $b o s \ell^+ \ell^-$ anomalies, neutrino masses and mixings and dark matter candidate, taking into account experimental constraints of flavor physics such as charged lepton flavor violations and the $B_s$--$\bar B_s$ mixing. Finally we discuss collider physics focusing on $Z'$ production at the Large Hadron Collider and relic density of our dark matter candidate.

研究动机与目标

• 解释 LHCb 观测到的 B 介子衰变中持续存在的 b → sμ⁺μ⁻ 异常，包括 P′₅ 与 RK/RK* 的偏差。
• 构建一个最小且无反常的 U(1)X 规范模型，其轻子味非统一的电荷可自然产生所需的 Z′ 介导的 FCNC 过程。
• 在单一框架内统一解释 b → sμ⁺μ⁻ 异常、通过 Type-I seesaw 机制的中微子质量，以及一个狄拉克费米子暗物质候选者。
• 利用来自带电轻子味违反（μ → eγ）、Bs–B̄s 混合与遗迹密度的实验限制约束该模型，同时确保与味物理的一致性。
• 预测 LHC 上可观测的信号，包括二轻子与单 jets + 丢失能量通道中的 Z′ 产生，并评估暗物质候选者的可行性。

提出的方法

• 引入一个 U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} 规范对称性，其中 xₘ + xₜ = 1 以确保反常消除，为 SM 费米子分配与味相关的 U(1)X 电荷。
• 使用两个 Higgs 双态以生成真实的 CKM 矩阵，其中第二个 Higgs（Φ₁）携带 U(1)X 电荷，以诱导夸克质量矩阵中的小非对角项。
• 通过 Z′ 交换推导 b → sμ⁺μ⁻ 的有效 Z′ 介导相互作用，表明负的 xₘ（如 xₘ = −1/3）可导致 ∆Cₘ⁹ ≈ −1，与全局拟合结果一致。
• 通过 Type-I seesaw 机制构建中微子质量矩阵，使用两个 SM 希格斯单态，其马约拉纳质量通过 U(1)X 对称性自发破缺生成。
• 计算带电轻子味违反（μ → eγ）、Bs–B̄s 混合与 Z′ 对 muon g−2 的贡献，并应用实验限制。
• 利用 micrOMEGAs 计算 LHC 上 Z′ 产生截面（pp → Z′ → μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻, νν̄），并评估狄拉克费米子暗物质候选者的遗迹密度，包括共振湮灭效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有轻子味非统一电荷的 U(1)_{B₃−xₘLₘ−xₜLₜ} 规范模型能否解释 b → sμ⁺μ⁻ 异常，特别是观测到的 ∆Cₘ⁹ ≈ −1？
• RQ2 Z′ 与标量对 Bs–B̄s 混合的贡献如何相互抵消，以满足严格的实验限制，同时仍能解释 b → sμ⁺μ⁻ 异常？
• RQ3 来自带电轻子味违反（μ → eγ）与未来 μ → e 转换实验的限制对模型参数空间有何约束？
• RQ4 该模型能否同时解释中微子质量、一个可行的狄拉克费米子暗物质候选者与 LHC 物理现象？
• RQ5 Z′ 在 LHC 上的产生与暗物质遗迹密度的可行参数区域为何？这些区域如何约束 {mZ′, gX} 参数空间？

主要发现

• 对 μ 子赋予负的 U(1)X 电荷（xₘ = −1/3）可导致 ∆Cₘ⁹ ≈ −1，与 LHCb 对 P′₅ 与 RK/RK* 的全局拟合结果一致。
• 该模型仅在 Z′ 与标量对混合振幅的贡献相互抵消时才能满足 Bs–B̄s 混合的实验限制，这要求参数的微调。
• Z′ → νₜν̄ₜ 的分支比约为 Z′ → νₘν̄ₘ 的 16%，使得在 LHC 上通过单 jets + 丢失横向动量通道可探测。
• 估算得到 mZ′ = 1.5 TeV 且 gX = 0.6 时，Z′ 产生截面约为 ~1 fb，而二轻子模式（μ⁺μ⁻, τ⁺τ⁻）受到 LHC 二胶子共振搜索的限制。
• 狄拉克费米子暗物质候选者的遗迹密度在 mZ′ ≈ 2mX 区域与 Planck 观测结果（Ωh² = 0.1206 ± 0.0063）一致，这是由于通过 Z′ 的共振湮灭所致。
• 该模型在间接探测约束（如 Fermi-LAT）下是安全的，因为主要湮灭通道（χχ̄ → Z′ → τ⁺τ⁻）的截面在 mZ′ > 500 GeV 时远低于伽马射线限制。