[论文解读] Flavor Anomalies Accommodated in A Flavor Gauged Two Higgs Doublet Model

Junmou Chen, Qiaoyi Wen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种味守恒的两希格斯双重模型（FG2HDM），通过一个 $Z'$ 规范 boson 和一个带电希格斯粒子，同时解释了 $R_K$ 和 $R_{D^{(*)]}$ 异常，以及 muon 异常磁矩 ($\Delta a_\mu$)。该模型通过引入 $U(1)$ 味对称性来抑制 FCNC，仅允许底夸克型的味改变中性流，并使 $Z'$ 仅耦合至底夸克型，从而在一致的框架内成功容纳了多个味异常。

ABSTRACT

The $3.1σ$ $R_K$ anomaly after Moriond 2021 and $3.3 σ$ $Δa_μ$ from Fermilab Muon g-2 experiment implicate that the lepton flavor universality violation (LFUV) may play a role in the exploration of new physics. A Flavor Gauged Two-Higgs Doublet Model (FG2HDM) is proposed and investigated in this work. To get rid of the the redundancy in Yukawa coupling of 2HDM-III, a specific U(1) flavor symmetry is introduced. The charge difference between two scalar doublet forbid the appearance of pseudoscalar and hence there are only three particles (a charged and neutral heavy scalar together with a neutral gauge boson) adding to SM particle spectrum. The heavy neutral scalar-mediated flavor-changing interactions occur among down-type quarks. With obvious difference from 2HDM-II, the charged Higgs in FG2HDM can naturally explain $R_{D^{(*)}}$ anomaly. The heavy neutral vector boson $Z'$, changing flavor for down-type quark uniquely as well, provides a solution to $R_{K^{(*)}}$. The anomalous magnetic dipole moment (AMDM) of muon and electron, especially the new released $Δa_μ$, can further discriminate $Z'$ parameter space.

研究动机与目标

• 为解决 B 介子衰变中持续存在的 $R_K$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常，这些异常表明存在轻子味 universality 的破坏。
• 解决 Fermilab 观测到的 muon 异常磁矩 ($\Delta a_\mu$) 所呈现的 $3.3\sigma$ 差异。
• 构建一个可行的两希格斯双重模型（2HDM），通过引入 $U(1)$ 味规范对称性，避免 Type III 2HDM 中存在的问题重重的味改变中性流（FCNC）。
• 在一个粒子内容最少的、无异常的模型中，统一解释多个异常——$R_K$、$R_{D^{(*)}}$ 和 $\Delta a_\mu$。

提出的方法

• 引入一个 $U(1)$ 味规范对称性，其中仅底夸克型和带电轻子带有非零电荷，而顶夸克型和中微子为单态。
• 为费米子和标量场分配特定的超荷，以确保异常抵消，并通过双希格斯双重子之间的电荷不对称性禁止赝标量。
• 实施一个仅耦合至底夸克型的 $Z'$ 规范 boson，通过介导 $b \to s\ell\ell$ 衰变过程来解释 $R_K$ 异常。
• 利用一个耦合至 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 衰变过程的带电希格斯粒子，自然解释 $R_{D^{(*)}}$ 异常。
• 通过标量对齐极限和混合角推导标量势和相互作用顶点，确保物理希格斯态被正确定义。
• 通过全局拟合约束 $Z'$ 和带电希格斯的耦合，使用 $R_K$、$R_{D^{(*)}}$ 和 $\Delta a_\mu$ 数据，同时满足 LHC 和电弱精确性约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 2HDM 框架中引入 $U(1)$ 味规范对称性，是否能同时解释 $R_K$ 和 $R_{D^{(*)}}$ 异常，而不会引入过多的味改变中性流？
• RQ2 引入一个仅耦合至底夸克型的 $Z'$ 玻色子，如何影响 $R_K$ 异常和 muon 异常磁矩？
• RQ3 最新的 $\Delta a_\mu$ 测量和 $R_K$ 数据对 $Z'$ 和带电希格斯耦合施加了哪些约束？
• RQ4 该模型在容纳观测到的异常的同时，能否与电弱精确性测试和 LHC 希格斯数据保持一致？
• RQ5 在 $U(1)$ 对称性下的电荷分配如何影响标量势的结构及由此产生的现象学？

主要发现

• 该模型成功解释了 LHCb 在 2021 年莫里翁德会议后观测到的 $3.1\sigma$ $R_{K}$ 异常，其中 $Z'$ 玻色子介导了 $b \to s\ell\ell$ 衰变过程。
• FG2HDM 中的带电希格斯粒子自然解释了 $R_{D^{(*)}}$ 异常，解决了 2HDM-II 中存在的张力。
• $Z'$ 玻色子仅耦合至底夸克型，避免了来自 $K^0$-$\bar{K}^0$ 混合的约束，确保了可行的参数空间。
• 该模型中 $Z'$ 对 $\Delta a_\mu$ 的贡献与 Fermilab 测量结果一致，该结果与标准模型预测存在 $3.3\sigma$ 的差异。
• 异常抵消条件将模型的自由参数减少至两个（$Q_{d_R}, Q_{\mu_R}$），从而形成一个具有可检验信号的预测性框架。
• 标量 sector 仅包含一个物理带电希格斯、一个中性重标量，以及一个 $Z'$，由于双希格斯双重子之间的电荷不对称性，不存在赝标量。