[论文解读] Flavor Physics Constraints on TeV Scale Color Sextet Scalars

Elaine C. F. S. Fortes, K. S. Babu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 11

一句话总结

本文分析了在左-右对称的 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times SU(4)_C$ 模型中，由 TeV 能标的色八重态标量介导的味改变中性流（FCNC）效应。通过树图和单圈图对介子混合与衰变的贡献，推导出 $\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$ 和 $\Delta_{dd}$ 的 Yukawa 耦合的严格约束，表明当耦合常数约为 $10^{-2}$ 时，为与当前实验数据一致，八重态标量的质量必须超过若干 TeV。

ABSTRACT

In this work we present an analysis of flavor violating effects mediated by color sextet scalars, which arise naturally in left-right symmetric gauge theories based on SU(2)_L imes SU(2)_R imes SU(4)_C group. The sextets, denoted here by Δ_{dd}, Delta_{ud} and Δ_{uu}, couple to right--handed quarks. We delineate the constraints on these couplings arising from meson--anti-meson transitions and flavor changing weak decays. The sextet Δ_{uu} mediates D^{0}-\bar{D}^{0} mixing via tree-level and box diagrams, and also mediates D --> K pi, pi pi decays. The sextets Δ_{ud} and Δ_{dd} mediate B_{d}^{0}-\bar{B}_{d}^{0}, B_{s}^{0}-\bar{B}_{s}^{0} and K^{0}-\bar{K}^{0} mixings as well as rare B and D meson decays. Our analysis shows that for coupling strengths of order 10^{-2}, the current experimental data requires the mass of these color sextets to exceed several TeV. These bounds are stronger than those obtained from direct LHC searches.

研究动机与目标

• 利用低能味破坏过程，约束 TeV 能标色八重态标量 ($\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$) 与右手中微子夸克的 Yukawa 耦合。
• 评估这些八重态标量在后期重子生成与中微子质量生成模型中的可行性，其中其耦合与质量至关重要。
• 将介子混合与稀有衰变的约束强度与直接 LHC 搜索进行比较，突出味物理在设定限制中的主导作用。
• 利用 $B$ 和 $D$ 介子衰变以及 $K^0$-$\overline{K}^0$、$B_d^0$-$\overline{B}_d^0$、$B_s^0$-$\overline{B}_s^0$ 和 $D^0$-$\overline{D}^0$ 转变的实验数据，提供耦合乘积的定量限制。
• 评估 FCNC 约束与重子数破坏之间的相互作用，特别是在中子-反中子振荡限制的背景下。

提出的方法

• 通过 $\mathcal{L}_{\Delta} = -\frac{f_{ij}}{2}(d_R^T C d_R)\Delta_{dd} - \frac{h_{ij}}{2}(u_R^T C u_R)\Delta_{uu} - \frac{g_{ij}}{2\sqrt{2}}(u_R^T C d_R + d_R^T C u_R)\Delta_{ud} + \text{h.c.}$ 构建色八重态标量 $\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$ 与右手中微子夸克的唯象有效拉格朗日量。
• 计算树图与单圈（泡图）对 $\Delta F = 2$ 过程的贡献，包括 $D^0$-$\overline{D}^0$、$B_d^0$-$\overline{B}_d^0$、$B_s^0$-$\overline{B}_s^0$ 以及 $K^0$-$\overline{K}^0$ 混合。
• 利用 QCD 因子化方法评估非轻子衰变，如 $B \to \pi\pi$、$B \to \phi\pi$、$D \to K\pi$ 与 $D \to \pi\pi$。
• 应用来自 $B$ 和 $D$ 介子衰变以及混合参数的实验限制，推导出耦合矩阵乘积 ($f_{ij}f_{kl}^*$、$g_{ij}g_{kl}^*$、$h_{ij}h_{kl}^*$) 的限制。
• 通过乘以 $ (M_{\Delta}/\text{TeV})^2 $ 对推导出的耦合限制进行归一化，以质量依赖形式表达约束。
• 将味物理约束的强度与直接 LHC 搜索进行比较，得出结论：味物理提供了更强的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 从低能味破坏过程出发，对 TeV 能标色八重态标量 ($\Delta_{uu}$、$\Delta_{ud}$、$\Delta_{dd}$) 与右手中微子夸克的 Yukawa 耦合，最强的约束是什么？
• RQ2 树图与单圈图对介子混合与稀有衰变的贡献，在约束八重态标量耦合方面有何差异？
• RQ3 用于后期重子生成的耦合强度是否与当前 FCNC 过程的实验限制相容？
• RQ4 来自 $B$ 和 $D$ 介子衰变与混合的约束是否强于对这些色标量的直接 LHC 搜索？
• RQ5 SM 与新物理振幅之间的干涉对 $B \to \pi\pi$ 与 $B_s \to \pi\pi$ 衰变的限制有何影响？

主要发现

• 当 Yukawa 耦合强度约为 $10^{-2}$ 时，当前介子混合与衰变的实验数据要求色八重态标量的质量必须超过几个 TeV。
• 来自 $B$-介子衰变与 $B_d^0$-$\overline{B}_d^0$ 混合的约束强于来自 $D$-介子衰变与 $D^0$-$\overline{D}^0$ 混合的约束。
• 从 $\overline{B}_d^0 \to \pi^0\pi^0$ 得到的耦合乘积 $|f_{13}f_{11}^*|$ 受限于 $0.444$，而从 $\overline{B}_d^0 \to \phi\pi^0$ 得到的 $|f_{23}f_{12}^*|$ 受限于 $0.035$，表明某些味改变跃迁受到强烈抑制。
• 对于 $\Delta_{ud}$，从 $\overline{B}_d^0 \to \pi^-\pi^+$ 得到的乘积 $|(g_{13}+g_{31})g_{11}^*|$ 受限于 $1.456$，而从 $\overline{B}_s^0 \to K^-K^+$ 得到的 $|(g_{13}+g_{31})(g_{12}^*+g_{21}^*)|$ 受限于 $7.097$。
• 对于 $\Delta_{uu}$，从 $D^0 \to \pi^0\pi^0$ 得到的耦合乘积 $|h_{12}h_{11}^*|$ 受限于 $28.054$，而从 $D^+ \to \pi^+\pi^0$ 得到的受限于 $47.849$，表明 $D^0$ 衰变振幅受到显著抑制。
• 推导出的耦合限制随 $ (M_{\Delta}/\text{TeV})^{-2} $ 变化，意味着当 $M_{\Delta} \sim 1$ TeV 时，耦合乘积必须小于表 2 和表 3 中列出的值，才能与实验数据保持一致。