[论文解读] Charged Higgs bosons from the 3-3-1 models and the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies

Wei Ma, Yue Chong-Xing|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了在3-3-1模型中，带电Higgs玻色子是否能解释B介子衰变中观测到的$\mathcal{R}(D^{(*)})$异常，其中实验测量值分别超出标准模型预测3.3σ和4σ。研究发现，在宽广的参数空间中——特别是当$\tan\beta \lesssim 20$且$m_{H^+} \in [540, 1000]$ GeV时，3-3-1模型能够合理解释$\mathcal{R}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$和$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$中的异常，主要约束来自$B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$分支比。

ABSTRACT

Several anomalies in the semileptonic B-meson decays such as $\mathcal{R}(D^{(*)})$ have been reported by $BABAR$, Belle, and LHCb collaborations recently. In this paper, we investigate the contributions of the charged Higgs bosons from the 3-3-1 models to the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies. We find that, in a wide range of parameter space, the 3-3-1 models might give reasonable explanations to the $\mathcal{R}(D^{(*)})$ anomalies and other analogous anomalies of the B meson's semileptonic decays.

研究动机与目标

• 研究3-3-1模型中的带电Higgs玻色子是否能解释B介子半轻衰变中观测到的$\mathcal{R}(D^{(*)})$异常。
• 将分析扩展至$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$和$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$，作为新物理的补充探测手段。
• 利用最新的$B \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$、$B \to X_c\tau\bar{\nu}_\tau$和$B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau$衰变实验数据，对3-3-1模型的参数空间进行约束。
• 评估3-3-1模型在多个衰变道中解释标准模型预测偏离的可行性。

提出的方法

• 该研究采用规范群为$SU(3)_C \times SU(3)_L \times U(1)_X$的3-3-1模型，其中电荷由$Q = T_3 + \beta T_8 + X I$定义，$\beta = \pm 1/\sqrt{3}$以避免出现奇异电荷。
• 该模型包含物理带电Higgs玻色子$H^\pm$、CP奇态$A$和CP偶态$H_a$标量，它们与标准模型费米子耦合，并介导半轻衰变中的新贡献。
• 通过3-3-1模型的有效拉格朗日量推导矩阵元，计算$\mathcal{R}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$、$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$和$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$的理论预测，其中新物理贡献来自带电Higgs玻色子。
• 在$\tan\beta$和$m_{H^+}$参数空间中进行扫描，并利用BaBar、Belle和LHCb对$B \to \tau\bar{\nu}_\tau$及其相关衰变模式的实验平均值施加约束。
• 分析中包含比值$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi} = \mathcal{B}(B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau)/\mathcal{B}(B \to \tau\bar{\nu}_\tau)$，以减少$\tau$粒子探测带来的系统不确定性。
• 将数值结果与实验上限和标准模型预测进行比较，以识别$\tan\beta$–$m_{H^+}$平面上的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 3-3-1模型中的带电Higgs玻色子能否解释在$B \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$衰变中观测到的$\mathcal{R}(D^{(*)})$异常？
• RQ2 在满足$B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$约束的前提下，3-3-1模型中可允许的$\tan\beta$和$m_{H^+}$参数空间范围是什么？
• RQ3 3-3-1模型在多大程度上能够解释$\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$和$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$异常，这些量对$\tau$探测系统误差的敏感度较低？
• RQ4 $B \to \pi\tau\bar{\nu}_\tau$和$B \to X_c\tau\bar{\nu}_\tau$衰变的约束如何影响3-3-1模型解释$\mathcal{R}(D^{(*)})$异常的可行性？

主要发现

• 当$0 < \tan\beta \lesssim 20$且$540\,\text{GeV} \leq m_{H^+} \leq 1000\,\text{GeV}$时，3-3-1模型能够为$\mathcal{R}(D^{(*)})$异常提供合理解释，且该参数区间内与标准模型预测的偏差最大。
• $\tan\beta$的参数空间在$\mathcal{R}_{\tau}(D^{(*)})$异常下受约束为27～145（BaBar）和0～108（Belle），表明存在共同的可行区域。
• $\mathcal{R}_{\tau}(X_c)$比值对$\tan\beta$和$m_{H^+}$均敏感，3-3-1模型可在$0 < \tan\beta \lesssim 20$范围内解释该异常，且$m_{H^+} \in [540, 1000]$ GeV。
• 对于$\mathcal{R}_{\tau}^{\pi}$，该模型在相同的$\tan\beta$和$m_{H^+}$范围内也提供了可行解释，实验上限$2.62$与模型预测一致。
• $B^+ \to \tau^+ \nu_\tau$分支比测量对3-3-1模型参数空间提供了最强约束，尤其在$\tan\beta \lesssim 20$时。
• 对$D^{(*)}$、$X_c$和$\pi$等多模式衰变的联合分析表明，带电Higgs交换的3-3-1模型能够一致地解释不同末态中观测到的异常，支持其作为新物理框架的可行性。