[论文解读] Flavor Specific $U(1)_{B_q-L_\mu}$ Gauge Model for Muon $g-2$ and $b o s \bar \mu \mu$ Anomalies

Jianyong Cen, Yu Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种风味特异的 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 规范模型，旨在同时解释μ子 $g-2$ 异常和 $b \to s\bar\mu\mu$ B介子衰变异常。该模型引入了一个与μ子耦合的 $Z'$ 玻色子，并通过混合产生味改变的夸克相互作用，但在受到 $\tau \to \mu\gamma$、$\tau \to 3\mu$、中微子三重态散射和 $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合数据约束下，发现无法找到同时满足两个异常的可行参数空间，且 $Z'$ 质量被限制在几百 MeV 以下。

ABSTRACT

The muon $(g-2)_\mu$ and $b o s \bar \mu \mu$ induced $B$ anomalies as hints of new physics beyond the standard model (SM) have attracted much attention. These two anomalies indicate that there may exist new interaction specifically related to muon. A lot of theoretical ideas have been proposed to explain these anomalies. Gauged flavor specific $U(1)_{B_q-L_\mu}$ is among the promising ones. The new gauge boson $Z'$ from $U(1)_{B_q-L_\mu}$ interacts with muon and provides necessary ingredient to solve the $(g-2)_\mu$ anomaly. The $Z'$-quark coupling can generate flavor changing interactions after diagonalization of quark mass matrix between weak eigen-state and mass eigen-state basis. We revisit challenges for such models attempting to explain the $(g-2)_\mu$ and $B$ anomalies separately or simultaneously. We find although for $U(1)_{B_q-L_\mu}$ models there is still parameter space to provide solutions for separately explaining the $(g-2)_\mu$ and $B$ anomalies, there exists no parameter space for such models to solve both the anomalies simultaneously, after taking into account existing constraints from $ au o \mu \gamma$, $ au o 3 \mu$, neutrino trident and $B_s - \bar B_s$ data. Among them leptonic processes restrict $Z^\prime$ mass to be less than a few hundred MeV if required to solve the $(g-2)_\mu$ anomaly, which causes conflict between data from $B_s - \bar B_s$, $D^0 - \bar D^0$ mixing and also hadron decays with $Z^\prime$ in the final states. The effects of $U(1)_Y$ and $U(1)_{B_q-L_\mu}$ kinetic mixing on these anomalies are also studied. We find that neither can these effects do much to bring the two anomalies together to be solved simultaneously.

研究动机与目标

• 调查风味特异的 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 规范模型是否能同时解释μ子 $g-2$ 异常和 $b \to s\bar\mu\mu$ B介子衰变异常。
• 检验此类模型在稀有轻子和介子衰变现有实验约束下的可行性。
• 评估 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 与标准模型 $U(1)_Y$ 规范群之间的动能混合对异常解的影响。
• 确定 $Z'$ 玻色子是否能介导 $g-2$ 和 $B$ 异常效应，同时不违反味守恒或稀有衰变约束。

提出的方法

• 构建一个 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 规范模型，其中 $Z'$ 与μ子耦合，并通过非平凡的夸克电荷在质量矩阵对角化后产生味改变的中性流。
• 通过 $\mu$-μ子圈中的 $Z'$ 交换计算对μ子反常磁矩 $a_\mu$ 的贡献。
• 利用 $Z'$-夸克耦合评估 $b \to s\bar\mu\mu$ 衰变振幅，并分析分支比和角观测量。
• 应用来自 $\tau \to \mu\gamma$、$\tau \to 3\mu$、中微子三重态散射、$B_s$-$\bar{B}_s$ 混合、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合以及 $D \to \pi Z'$ 衰变的约束。
• 引入 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 与标准模型 $U(1)_Y$ 之间的动能混合，以评估其对 $Z'$ 耦合和异常解的影响。
• 执行全局参数空间扫描，以测试在所有约束下同时满足两个异常的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 模型能否同时解释 $g-2$ 异常和 $b \to s\bar\mu\mu$ 异常？
• RQ2 来自 $\tau \to \mu\gamma$、$\tau \to 3\mu$ 和中微子三重态散射的约束对 $Z'$ 质量和耦合有何限制？
• RQ3 $B_s$-$\bar{B}_s$ 混合和 $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合数据如何限制该模型的可行参数空间？
• RQ4 $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 与标准模型 $U(1)_Y$ 之间的动能混合在多大程度上有助于调和两个异常？
• RQ5 是否存在参数空间中的区域，使得 $Z'$ 能够介导 $a_\mu$ 和 $b \to s\bar\mu\mu$ 过程而不违反现有极限？

主要发现

• 在当前实验约束下，该模型无法同时解释μ子 $g-2$ 异常和 $b \to s\bar\mu\mu$ 异常。
• 若 $Z'$ 想解释 $g-2$ 异常，则 $\tau \to \mu\gamma$ 和 $\tau \to 3\mu$ 的约束会将其质量限制在几百 MeV 以下。
• 当 $m_{Z'} \lesssim 300$ MeV 时，$B_s$-$\bar{B}_s$ 混合和 $D^0$-$\bar{D}^0$ 混合数据与 $g-2$ 异常所需的 $Z'$-介导贡献相冲突。
• 如 $D \to \pi Z'$ 等强子衰变进一步限制了 $Z'$ 耦合，从而缩小了可行参数空间。
• $U(1)_{B_q - L_\mu}$ 与标准模型 $U(1)_Y$ 之间的动能混合并未显著缓解两个异常之间的张力。
• 不存在任何参数空间区域，使得 $Z'$ 玻色子能介导 $g-2$ 和 $b \to s\bar\mu\mu$ 异常而不违反稀有衰变和混合过程的现有极限。