[论文解读] Clues for flavor from rare lepton and quark decays

Ivo de Medeiros Varzielas, Gudrun Hiller|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 23

一句话总结

本文研究了在标量轻子胶子子与非阿贝尔味对称性模型中，LHCb实验测得的$B\to K\mu\mu$衰变中轻子非 universality（即$R_K$测量结果）与轻子味破坏（LFV）之间的关联。研究表明，通过味对称性破缺场（即味子）连接轻子胶子子与希格斯相互作用，可将$R_K$的偏离与$B\to K\ell\ell'$、$h\to\tau\mu$及$\ell\to\ell'\gamma$等LFV过程相关联，从而为检验标准模型之外的新物理提供统一框架。

ABSTRACT

Flavor symmetries successfully explain lepton and quark masses and mixings yet it is usually hard to distinguish different models that predict the same mixing angles. Further experimental input could be available, if the agents of flavor breaking are sufficiently low in mass and detectable or if new physics with non-trivial flavor charges is sufficiently low in mass and detectable. The recent hint for lepton-nonuniversality in the ratio of branching fractions $B o K μμ$ over $B o K e e$, $R_K$, suggests the latter, at least for indirect detection via rare decays. We demonstrate the discriminating power of the rare decay data on flavor model building taking into account viable leptonic mixings and show how correlations with other observables exist in leptoquark models. We give expectations for branching ratios $B o K \ell \ell^\prime, B_{(s)} o \ell \ell^\prime$ and $\ell o \ell^\prime γ$, and Higgs decays $h o \ell \ell^\prime$.

研究动机与目标

• 研究$B\to K\mu\mu$衰变中观测到的$R_K$偏离轻子 universality是否可由包含标量轻子胶子子与味对称性破缺的统一新物理作用区解释。
• 探讨味模型构建（特别是$A_4$与$SU(3)_F$对称性）如何同时容纳$R_K$异常与稀有衰变中的轻子味破坏（LFV）。
• 在具有共同味结构的模型中，识别$R_K$、LFV衰变（$B\to K\ell\ell'$、$\ell\to\ell'\gamma$）与希格斯衰变（$h\to\ell\ell'$）之间的关联。
• 证明负责中微子混合模式的相同味子场，亦可介导$R_K$破坏相互作用，从而将味结构与多种稀有衰变可观测量直接关联。

提出的方法

• 基于$R_K$测量结果与$M\gtrsim1$ TeV的约束，采用数据驱动方法，识别轻子胶子子耦合$\lambda_{q\ell}$至夸克与轻子的可行味模式。
• 构建$SU(2)$双重态与三重态轻子胶子子的有效拉格朗日量，分别聚焦于其与右手中微子夸克及左手中微子夸克的耦合。
• 分析通过味子（特别是$A_4\times Z_3$与$A_4\times Z_4$模型）实现的味对称性破缺对生成真实Yukawa纹理的影响。
• 通过组合味子（$\phi_l$、$\phi_\nu$、$\xi'$）的真空期望值与群论投影，推导轻子胶子子质量矩阵与耦合结构，确保与中微子混合模式一致。
• 使用解释$R_K\neq1$的相同味结构，计算$B\to K\ell\ell'$、$B_s\to\ell\ell'$、$\ell\to\ell'\gamma$与$h\to\ell\ell'$的分支比。
• 将理论预测与实验信号（如CMS在$h\to\tau\mu$中观测到的$2.5\sigma$信号）进行比较，以检验模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过单一标量轻子胶子子作用区解释$B\to K\mu\mu$衰变中$R_K$异常，同时介导轻子味破坏？
• RQ2 $A_4$与$SU(3)_F$等味对称性如何约束轻子胶子子耦合结构，并将$R_K$与其它稀有衰变过程关联？
• RQ3 在共享味对称性破缺的模型中，$R_K$、$h\to\ell\ell'$、$B\to K\ell\ell'$与$\ell\to\ell'\gamma$之间存在何种关联？
• RQ4 相同味子场在生成中微子混合的同时，能在多大程度上也产生$R_K\neq1$与轻子胶子子耦合中的LFV？
• RQ5 $A_4\times Z_3$与$A_4\times Z_4$模型能否在满足$B$介子与LFV衰变约束的前提下，同时解释$R_K$偏离与$h\to\tau\mu$信号？

主要发现

• $1\leq q^2<6$ GeV$^2$能区中$R_K$异常值为$0.745\pm0.090_{-0.074}\pm0.036$，意味着对$M\gtrsim1$ TeV情形，有$|\lambda_{se}\lambda_{be}^* - \lambda_{s\mu}\lambda_{b\mu}^*| \gtrsim 2\times10^{-3}$。
• 在$A_4\times Z_3$模型中，$R_K\neq1$的偏离源于轻子胶子子耦合矩阵中偏离$(2,-1,-1)$与$(0,1,-1)$方向的微扰，这些方向与反应堆角$\theta_{13}\neq0$直接关联。
• 产生三最大对称类似中微子混合矩阵的相同味子真空期望值，也破坏了$R_K$中的轻子 universality，从而在中微子混合与$R_K$异常之间建立了直接联系。
• 该模型预测$B\to K\ell\ell'$与$B_s\to\ell\ell'$的分支比与$R_K$相关，其中$B\to K\mu\mu$的分支比依耦合结构而定，范围在$10^{-7}$至$10^{-8}$之间。
• 在可行参数区域，$h\to\tau\mu$衰变的分支比预测为$10^{-3}$至$10^{-4}$量级，与$2.5\sigma$的CMS信号一致。
• $\ell\to\ell'\gamma$衰变率虽被抑制但非零，大味混合模型中$\mu\to e\gamma$的分支比可能达$10^{-12}$，为互补探测提供了可能。