[论文解读] Dressing L_mu - L_tau in Color

Wolfgang Altmannshofer, Stefania Gori+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 48被引用 176

一句话总结

该论文提出一种低质量 $Z^\prime$ 玻色子，通过介导 $L_\mu - L_\tau$ 对称性，利用对μ子的向量型耦合和对夸克的抑制耦合，解释了LHCb实验中 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 的角分布异常。该模型通过大质量的向量型费米子实现紫外完成，尽管能拟合 $B$ 物理中的异常，但当 $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 几 GeV 时，其可行性被中微子三重产生过程强烈限制，因此无法解释μ子 $g-2$ 异常。

ABSTRACT

We consider a new massive vector-boson Z' that couples to leptons through the L_mu - L_tau current, and to quarks through an arbitrary set of couplings. We show that such a model can be obtained from a renormalizable field theory involving new heavy fermions in an anomaly-free representation. The model is a candidate explanation for the discrepancy observed recently by the LHCb collaboration in angular distributions of the final state particles in the rare decay B o K* mu^+ mu^-. Interestingly, the new vector-boson contribution to the decay tau o mu nu_tau \bar nu_mu can also remove a small tension in the measurement of the corresponding branching ratio. Constraints from light flavor meson-mixing restrict the coupling to the up- and down-quarks to be very small and thus direct production of the vector-boson at hadron colliders is strongly suppressed. The most promising ways to test the model is through the measurement of the Z decay to four leptons and through its effect on neutrino trident production of muon pairs. This latter process is a powerful but little-known constraint, which surprisingly rules out explanations of (g-2)_mu based on Z' gauge bosons coupled to muon number, with mass of at least a few GeV.

研究动机与目标

• 研究与 $L_\mu - L_\tau$ 对称性相关的 $Z^\prime$ 玻色子是否能解释近期LHCb实验中 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 角分布的异常。
• 确定此类 $Z^\prime$ 模型在解释μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$ 方面的可行性。
• 评估低能过程（特别是中微子三重产生和 $Z \to 4\mu$ 衰变）对模型参数空间的约束。
• 通过在无异常表示下引入大质量向量型费米子，实现 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 模型的紫外完成。
• 识别测试该模型的最有前景的实验探测方式，尤其是在高强度前沿实验中。

提出的方法

• 通过确保异常有限的表示，使用大质量向量型费米子构建 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 模型的可重整化紫外完成。
• 通过圈图诱导的混合，推导 $Z^\prime$ 对夸克和轻子的有效耦合，其中对上型和下型夸克的耦合受轻味介子混合的约束。
• 使用有效哈密顿量 $\mathcal{H}_{\text{eff}} = C_9 (\bar{s}\gamma_\alpha P_L b)(\bar{\mu}\gamma^\alpha \mu) + C_9' (\bar{s}\gamma_\alpha P_R b)(\bar{\mu}\gamma^\alpha \mu)$ 拟合LHCb实验中 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 的数据。
• 通过 $Z^\prime$ 对μ子的耦合以及通过混合诱导的对中微子的耦合，计算 $Z \to 4\mu$ 衰变和中微子三重产生过程的约束。
• 分析 $Z^\prime$ 对 $B_s$ 混合的影响，预测当 $v_\Phi \gtrsim 100$ GeV 时，$\Delta M_s$ 的最小变化为3%，且该效应随 $Z^\prime$ 的真空期望值的平方增长。
• 利用 $Z^\prime$ 对μ子的耦合以及与 $Z$ 玻色子的混合，从 $g-2_\mu$ 和中微子三重产生数据中推导出对 $Z^\prime$ 质量和耦合的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量低于电弱尺度的 $Z^\prime$ 玻色子是否能通过 $L_\mu - L_\tau$ 对称性解释LHCb实验中 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 角分布的异常？
• RQ2 当 $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 几 GeV 时，$Z^\prime$ 模型是否仍能解释μ子反常磁矩 $(g-2)_\mu$？
• RQ3 $Z \to 4\mu$ 衰变和中微子三重产生过程的约束如何塑造 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 模型的可行参数空间？
• RQ4 $Z^\prime$ 对 $B_s$ 混合的最小影响是什么？未来LHCb升级是否能探测到该效应？
• RQ5 能否通过大质量向量型费米子实现 $Z^\prime$ 模型的一致紫外完成，同时保持异常自由并符合低能数据？

主要发现

• 质量低于电弱尺度的 $L_\mu - L_\tau$ $Z^\prime$ 模型可通过 $\text{Re}(C_9) \simeq -(35~\text{TeV})^{-2}$ 和 $\text{Re}(C_9') \simeq +(35~\text{TeV})^{-2}$ 解释LHCb实验中 $B \to K^{*}\mu^+\mu^-$ 的角分布异常。
• 该模型预测 $B_s$ 混合质量差 $\Delta M_s$ 的最小变化为3%，且该效应随 $Z^\prime$ 的真空期望值的平方增长，未来LHCb升级可能探测到该效应。
• 中微子三重产生过程提供了强大且此前被低估的约束，当 $m_{Z^\prime} \gtrsim$ 几 GeV 时，排除了该 $Z^\prime$ 模型作为解释μ子 $g-2$ 异常的可能性。
• $Z \to 4\mu$ 衰变通道对 $Z^\prime$ 对μ子的耦合提供了强约束，尤其在与 $Z$ 玻色子混合结合时更为显著。
• 对上夸克和下夸克的 $Z^\prime$ 耦合受到轻味介子混合的严重约束，从而抑制了强子对撞机中的直接产生。
• 通过大质量向量型费米子实现的紫外完成确保了异常自由，并允许在夸克耦合被抑制的前提下，对 $L_\mu - L_\tau$ 门控进行一致的场论实现。