[论文解读] Connecting neutral current $B$ anomalies with the heaviness of the third family

Joe Davighi|arXiv (Cornell University)|May 15, 2019

Fetal and Pediatric Neurological Disorders参考文献 5被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种$Z^{′}$规范玻色子模型，该模型在弱本征基中仅与费米子的第三代耦合，其电荷由异常抵消固定为与超荷成正比。该模型解释了$b\to s\mu\mu$异常现象，预测了如$t\to Z^\prime u$衰变和$B\to K^*\tau^+\tau^-$缺失等独特信号，并受到$B_s$混合、$Z$玻色子轻子味 universality 以及大型强子对撞机$Z^\prime\to\mu\mu$搜索的约束。

ABSTRACT

It is possible, and for several reasons attractive, to explain a collection of recent anomalies involving $b ightarrow sμμ$ processes with a $Z^{\prime}$ gauge boson coupled only to the third family in the weak eigenbasis. From this premise, requiring cancellation of all gauge anomalies (including mixed and gravitational anomalies) fixes a unique charge assignment for the third family Standard Model fermions, which is simply proportional to hypercharge. After a brief discussion of some general features of anomaly cancellation in $Z^\prime$ theories, we discuss the phenomenology of such a `Third Family Hypercharge Model', which is subject to a trio of important constraints: (i) $B_s-\bar{B}_s$ mixing, (ii) lepton universality of the $Z$ boson couplings, and (iii) constraints from direct searches for the $Z^\prime$ boson at the LHC. Finally, in gauging third family hypercharge, this model forbids all Yukawa couplings (at the renormalisable level) save those of the third family, leading to a possible explanation of the heaviness of the third family.

研究动机与目标

• 通过仅与第三代耦合的$Z^\prime$规范玻色子解释$B$衰变中持续存在的$b\to s\mu\mu$异常现象。
• 通过要求所有异常——规范、混合和引力异常——消失，确保$Z^\prime$模型中的规范异常抵消。
• 探讨规范第三族超荷是否能自然解释费米子质量中观察到的层次结构，特别是顶夸克的重质量。
• 从$B_s$混合、$Z$玻色子轻子味 universality 和大型强子对撞机直接$Z^\prime$搜索中推导并检验现象学约束。
• 预测未来实验可验证的新颖信号，如稀有顶夸克衰变和$B\to K^*\tau^+\tau^-$的缺失。

提出的方法

• 构建一个$U(1)^\prime$扩展标准模型，其中$Z^\prime$玻色子仅在弱本征基中与第三族耦合。
• 强制实现异常抵消（包括混合和引力异常），唯一地将第三族费米子的$U(1)^\prime$电荷固定为与超荷成正比。
• 在积分掉$Z^\prime$后推导有效拉格朗日量，得到耦合$g_{sb} \propto \sin(2\theta_{sb})$和$g_{\mu\mu} \propto -1/2$。
• 使用2019年莫里翁德会议后的$B$物理数据进行全局拟合，以约束$Z^\prime$耦合强度$g_F$和质量$M_{Z^\prime}$。
• 应用来自$B_s$-$\bar{B}_s$混合（$|g_{sb}| \leq M_{Z^\prime}/(194\,\text{TeV})$）、$Z$玻色子轻子味不变性（$g_F < M_{Z^\prime}/(2.2\,\text{TeV})$）以及大型强子对撞机$Z^\prime\to\mu\mu$搜索的约束。
• 预测$Z^\prime$衰变的分支比（主要衰变为$t\bar{t}$和$\tau^+\tau^-$）以及通过$Z$-$Z^\prime$混合和味改变耦合产生的稀有顶夸克衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅与第三族耦合的$Z^\prime$玻色子能否在满足所有异常抵消条件的前提下解释观测到的$b\to s\mu\mu$异常？
• RQ2 第三族费米子的何种电荷分配可确保在$U(1)^\prime$扩展标准模型中的异常自由？
• RQ3 来自$B_s$混合、$Z$玻色子轻子味不变性和大型强子对撞机直接$Z^\prime$搜索的约束如何塑造该模型的可行参数空间？
• RQ4 规范第三族超荷是否能为费米子质量中的层次结构，特别是顶夸克的巨大质量，提供动力学解释？
• RQ5 该模型在大型强子对撞机上的关键实验信号是什么？HL-LHC能多好地探测这些信号？

主要发现

• 在$U(1)^\prime$下第三族的异常自由电荷分配被唯一固定为与超荷成正比，确保了所有规范、混合和引力异常的抵消。
• 该模型预测$Z^\prime$耦合强度为$g_F = (M_{Z^\prime}/36\,\text{TeV}) \sqrt{24x / \sin(2\theta_{sb})}$，其中$x = 1.06 \pm 0.16$（95%置信水平），可拟合$b\to s\mu\mu$异常。
• $B_s$-$\bar{B}_s$混合约束将$|g_{sb}|$限制在$M_{Z^\prime}/(194\,\text{TeV})$以内，为$Z^\prime$与底夸克的耦合提供了强有力的限制。
• 由于希格斯粒子具有$U(1)^\prime$电荷，导致的$Z$-$Z^\prime$混合使得来自LEP$R$-比测量的$Z$玻色子耦合上限为$g_F < M_{Z^\prime}/(2.2\,\text{TeV})$。
• ATLAS利用139 fb$^{-1}$的13 TeV数据进行的直接$Z^\prime\to\mu\mu$搜索对模型构成约束，其中二μ子道提供了当前最强限制。
• 该模型预测$Z^\prime$主要衰变为$t\bar{t}$（占42%）和$\tau^+\tau^-$（占30%），$Z^\prime\to\mu\mu$分支比为8%，并通过混合和味改变耦合预测了稀有顶夸克衰变$t\to Z^\prime u$和$t\to Z^\prime c$。