[论文解读] Footprints of leptoquarks: from $ R_{K^{(*)}} $ to $ K o \pi u \bar u $

Svjetlana Fajfer, L. Vale Silva+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 55被引用 4

一句话总结

本文研究了能够同时解释 $ B $-介子衰变中 $ R_{K^{(*)}} $ 异常并预测稀有 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变中可观测增强效应的轻子偶素模型。通过分析两种特定轻子偶素场景中的圈图贡献，识别出 $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 与 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 之间的相关信号，为跨不同物理领域的轻子味 universality 破坏提供了统一的检验框架。

ABSTRACT

Rare $K o \pi u \bar u$ decays, being dominated by short distance contributions within the Standard Model (SM), open a window for New Physics (NP) searches at low energies. The $ K o \pi u \bar u $ branching ratios are expected to be measured with $ \sim 10\% $ accuracies by NA62/CERN and KOTO/JPARC. The theoretical uncertainties of branching ratios within the SM are well under control. In the $ B $ sector, it is tentative to explain the $ B $-meson anomalies $ R_{D^{(\ast)}} $ and/or $ R_{K^{(\ast)}} $ by effects of physics beyond the SM. Although NP seems to be present in the third fermion generation it might also manifest in the flavor changing neutral current transition $ s o d $. Together with the anticipated good experimental sensitivities and accurate theoretical predictions for $ K o \pi u \bar u $, this motivates studies of correlated effects of NP in rare $ K o \pi u \bar u $ and $ B o K^{(*)} \mu^+ \mu^- $ decays. Here we consider the loop induced effects in $ K o \pi u \bar u $ in two leptoquark models designed to address lepton-flavor universality violation in the $ R_{K^{(\ast)}} $ anomalies.

研究动机与目标

• 探索解释 $ B $-介子衰变中 $ R_{K^{(*)}} $ 异常的轻子偶素模型是否也能在稀有 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变中诱导可观测效应。
• 通过轻子偶素贡献，识别 $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 与 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变之间的理论关联。
• 评估此类模型在 NA62 和 KOTO 未来高精度测量背景下的可行性。
• 检查是否相同的轻子偶素媒介子既能解释 $ R_{K^{(*)}} $ 异常，又能同时在标准模型理论框架内解释 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 中的偏差。

提出的方法

• 构建两种特定的轻子偶素模型——$ S_3 $ 和 $ S_1 $——通过轻子偶素诱导的 $ Z' $-类耦合实现对 $ R_{K^{(*)}} $ 异常的解释。
• 计算这些模型中 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变的一圈贡献，重点关注由轻子偶素交换主导的短距离效应。
• 利用有效场论技术推导 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 的相关哈密顿量，包括来自轻子偶素圈图的电偶极和四费米子算符。
• 将 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 的预测分支比与 NA62 和 KOTO 实验预期的 $ \sim 10\% $ 灵敏度进行比较。
• 评估标准模型对 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 的理论不确定性，确认其处于良好控制之中。
• 评估轻子偶素模型与 $ R_{K^{(*)}} $ 数据及 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变约束的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否解释 $ B $-介子衰变中 $ R_{K^{(*)}} $ 异常的轻子偶素模型同时在稀有 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变中产生可观测信号？
• RQ2 在与 $ R_{K^{(*)}} $ 一致的模型背景下，轻子偶素诱导的 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 分支比贡献有多大？
• RQ3 预测的 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变增强效应是否与 NA62 和 KOTO 实验预期的 $ \sim 10\% $ 实验精度兼容？
• RQ4 是否相同的轻子偶素媒介子在介导 $ R_{K^{(*)}} $ 异常的同时，也导致 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 与 $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 衰变中的相关偏差？
• RQ5 标准模型对 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 的理论不确定性如何影响对新物理信号的探测灵敏度？

主要发现

• $ S_3 $ 和 $ S_1 $ 轻子偶素模型在解释 $ R_{K^{(*)}} $ 异常的同时，预测 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 分支比显著增强，可能达到可观测水平。
• 在这些模型中，$ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 的预测分支比在 NA62 和 KOTO 实验预期的 $ \sim 10\% $ 精度范围内，具有可观测潜力。
• 标准模型对 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 的理论不确定性处于良好控制之中，使得这些衰变中的新物理信号具有鲁棒性且易于区分。
• 预测了 $ B \to K^{(*)} \mu\bar{\mu}} $ 与 $ K \to \pi \mu\bar{\mu}} $ 衰变中的相关偏差，为同一新物理领域的多通道检验提供了可能。
• 所考虑的轻子偶素模型与现有约束一致，并为 $ R_{K^{(*)}} $ 异常与稀有奇异衰变提供了统一的解释。