[论文解读] Combined explanation of $W$-mass, muon $g-2$, $R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$ anomalies in a singlet-triplet scalar leptoquark model

Arvind Bhaskar, Anirudhan A. Madathil+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

该论文提出一个包含单态-三重态对（$S_1 + S_3$）的最小标量轻子偶素模型，以同时解释 $W$-玻色子质量、μ子 $g-2$、$R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常。该模型通过希格斯门户混合轻子偶素，仅需少数新耦合，预测的轻子偶素质量为 TeV 量级，可在 LHC 上检验，当前 LHC 数据给出约 1.5 TeV 的下限，而规范耦合保持微扰性时，上限约为 8 TeV。

ABSTRACT

In addition to the long-standing anomalies seen in the muon $g-2$, $R_{K^{(*)}}$, and $R_{D^{(*)}}$ observables by various independent experiments, the CDF Collaboration has found another significant one in the $W$-boson mass. These anomalies might be intertwined at a fundamental level and have a single new-physics explanation. In this paper, we present a simultaneous solution to these anomalies with two scalar leptoquarks of roughly equal mass -- one weak-singlet $S_1$ and the other a weak-triplet $S_3$ -- which mix through a Higgs portal. The solution has only a few new couplings and TeV-scale leptoquarks, making the solution testable at the LHC. We put a lower and upper bound on the leptoquark masses in this setup from the current LHC data and the assumption that all new couplings are within the perturbative limit.

研究动机与目标

• 解决μ子 $g-2$、$R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 粒衰变中的长期异常，以及近期 CDF 对 $W$-玻色子质量的测量结果。
• 在一个单一、最小的新物理框架内，统一解释所有四个异常。
• 通过利用直接和间接实验约束，限制轻子偶素质量和耦合，确保模型在 LHC 上可检验。
• 通过最小化新耦合和自由度数量，保持规范耦合的微扰性并避免精细调节。

提出的方法

• 引入一个弱单态标量轻子偶素 $S_1$ 和一个弱三重态 $S_3$，两者超荷均为 $1/3$，以介导这些异常。
• 通过希格斯门户相互作用混合 $S_1$ 和 $S_3$，使它们能对多个可观测量做出共享贡献。
• 采用味分析性假设，通过有效场论和费曼图将 $S_1$ 和 $S_3$ 的 Yukawa 耦合与观测到的异常关联起来。
• 在 Yukawa 耦合和轻子偶素质量的全局参数空间中进行扫描，受低能数据和 LHC 直接/间接限制约束。
• 应用来自 $B$-介子衰变和 $W$-玻色子质量的间接约束，以及来自 $S_3^{4/3} \to b\bar{\nu}\nu$、$\tau\tau$ 和 $\tau\bar{\nu}$ 最终态的直接限制。
• 利用高 $p_T$ 双轻子和单胶球数据，约束 $S_3^{4/3}$ 的分支比并推导质量限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有 $S_1 + S_3$ 结构的单一标量轻子偶素模型，能否同时解释 $W$-玻色子质量、μ子 $g-2$、$R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常？
• RQ2 在满足所有当前实验约束的前提下，轻子偶素的质量和耦合范围有哪些可行区间？
• RQ3 LHC 的直接和间接搜索如何限制 $S_1 + S_3$ 模型的参数空间？
• RQ4 若所有耦合保持微扰性且不引入精细调节，轻子偶素质量的上限是多少？
• RQ5 该模型是否可在 LHC 上被检验？通过如 $c\tau$、$t\bar{\nu}$ 或 $t\bar{\tau}$ 等奇异信号，其发现前景如何？

主要发现

• 该模型仅用一组最小的新耦合，成功解释了所有四个异常——$W$-玻色子质量、μ子 $g-2$、$R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{D^{(*)}}$。
• 当前 LHC 数据对轻子偶素质量尺度施加了约 1.5 TeV 的下限，这是由于对 $S_3^{4/3} \to b\bar{\nu}\nu$ 和 $\tau\tau$ 最终态的约束。
• 在假设耦合保持微扰性且无额外新相互作用的前提下，轻子偶素质量的上限约为 8 TeV。
• 由于 $\bar{B} \to K^{(*)}\tau^+\tau^-$ 全局拟合和 LHC 直接限制，参数空间受到严重限制，即 $|y^{L}_{32}|$ 和 $|y^{L}_{22}|$ 不能同时较大。
• 预测了如 $c\tau$、$t\bar{\nu}$ 和 $t\bar{\tau}$ 等奇异 LHC 信号，为未来搜索提供了有希望的发现通道。
• 即使 μ子 $g-2$ 异常被 lattice QCD 输入修正为 1.6σ，该模型依然可行，因为被排除的区域早已被 LHC 约束排除。