[论文解读] Gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ Scotogenic Model in light of $R_{K^{(*)}}$ Anomaly and AMS-02 Positron Excess

Zhi-Long Han, Ran Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种带有大质量 $Z^\prime$ 玻色子的规范性 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 稀有生成模型，以同时解释 $B$-介子衰变中的 $R_{K^{(*)}}$ 异常和 AMS-02 正电子过剩。该模型通过右手中微子和一个惰性标量双重态在一阶量子修正下生成中微子质量，而 $Z^\prime$ 玻色子则通过介导 $b \to s\mu^+\mu^-$ 转换来解释 $R_{K^{(*)}}$，同时通过 $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 和 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 的湮灭过程解释正电子过剩，所有这些均在当前实验约束范围内。

ABSTRACT

We study the gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ scotogenic model with emphasis on latest measurement of LHCb $R_{K^{(*)}}$ anomaly and AMS-02 positron excess. In this model, neutrino masses are induced at one-loop level with $Z_2$-odd particles, i.e., right-handed neutrinos $N_\ell(\ell=e,μ,τ)$ and inert scalar doublet $η$ inside the loop. Meanwhile, the gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry is broken spontaneously by the scalar singlet $S$, resulting to the massive gauge boson $Z'$. Provided certain couplings to quarks induced by heavy vector-like quarks, the gauge boson $Z'$ would contribute to the transition $b o s μ^+μ^-$, hence explain the $R_{K^{(*)}}$ anomaly. As for the Majorana fermion DM $N$, the gauge boson $Z'$ and the singlet Higgs $H_0$ will generate various annihilation channels, among which the $NN o Z'Z'$ and $NN o Z'H_0( o Z'Z')$ channel could be used to interpret the AMS-02 positron excess. We give a comprehensive analysis on model parameter space with consider various current constraints. The combined analysis shows that the $R_{K^{(*)}}$ anomaly and AMS-02 positron excess can be explained simultaneously.

研究动机与目标

• 通过单一新物理框架统一解释 $B$-介子衰变中的 $R_{K^{(*)}}$ 异常与 AMS-02 正电子过剩。
• 在稀有生成模型中引入规范性 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性，引入大质量 $Z^\prime$ 玻色子和一个标量单重态 $S$ 以实现自发对称性自发破缺。
• 探索涉及 $Z^\prime$ 和标量单重态 $H_0$ 的可行暗物质湮灭过程，以解释观测到的正电子过剩，同时不违反宇宙微波背景辐射或直接探测的约束。
• 进行全面的参数空间扫描，涵盖中微子三重态产生、$B_s$ 混合、轻子味非破坏性、以及宇宙微波背景测量的约束。

提出的方法

• 引入规范性 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性，并引入一个标量单重态 $S$，其获得真空期望值（VEV），从而生成一个具有质量的 $Z^\prime$ 规范玻色子。
• 通过右手中微子 $N_\ell$ 和一个惰性标量双重态 $\eta$ 实现一阶量子修正下的中微子质量生成，同时保持 $Z_2$ 对称性。
• 通过在 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 下带电的向量型夸克生成有效 $Z^\prime bs$ 耦合，从而实现 $b \to s\mu^+\mu^-$ 转换，以解释 $R_{K^{(*)}}$。
• 分析暗物质湮灭过程 $NN \to Z^\prime Z^\prime$、$NN \to Z^\prime H_0$ 和 $H_0 \to Z^\prime Z^\prime$，其中 $H_0$ 源自 $Z_2$ 奇异数的标量单重态。
• 使用主成分分析计算 $f_{\rm eff}(z)$，推导宇宙微波背景对湮灭截面的约束，并与 AMS-02 正电子数据进行比较。
• 对模型参数进行随机扫描，施加来自暗物质丰度、直接探测（LUX、XENON1T、PandaX-II）、$B_s$ 混合、中微子三重态产生和宇宙伽马射线背景测量的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在规范性 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 稀有生成模型中，大质量 $Z^\prime$ 玻色子是否能通过 $b \to s\mu^+\mu^-$ 转换解释 $R_{K^{(*)}}$ 异常，且不与 $B$-物理约束冲突？
• RQ2 $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 和 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 湮灭通道是否能产生足够多的正电子通量以解释 AMS-02 正电子过剩？
• RQ3 在中微子三重态产生、$B_s$ 混合、轻子味非破坏性、直接探测和宇宙微波背景测量的联合约束下，该模型是否可行？
• RQ4 所需的 $Z^\prime$ 耦合与质量范围是否能在一致的参数空间内同时解释 $R_{K^{(*)}}$ 和正电子过剩？

主要发现

• 质量为 $M_{Z^\prime} \gtrsim 10~{\rm GeV}$、耦合为 $g^\prime \sim 10^{-3}$ 的 $Z^\prime$ 玻色子可通过 $b \to s\mu^+\mu^-$ 转换解释 $R_{K^{(*)}}$ 异常，在 $Y_Q = 0.122$ 和 $M_Q = 10~{\rm TeV}$ 时实现 $C_9^\mu \approx -0.95$。
• 中微子三重态产生和 $B_s$ 混合将 $Z^\prime$ 质量与耦合约束在 $550~{\rm GeV} \lesssim M_{Z^\prime}/g^\prime \lesssim 4~{\rm TeV}$ 范围内，排除了极轻 $Z^\prime$ 的情形。
• 当 $M_N \gtrsim M_{Z^\prime}$ 时，主要湮灭通道为 $NN \to Z^{\prime*} \to \mu^+\mu^-, \tau^+\tau^-$；当 $M_N > M_{Z^\prime}, M_{H_0}$ 时，$NN \to Z^\prime Z^\prime$ 和 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 成为主导。
• $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 和 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 通道可重现 AMS-02 正电子过剩，其湮灭截面 $\langle \sigma v \rangle_{\rm BF} \sim 10^{-26}~{\rm cm}^3/{\rm s}$ 与观测到的正电子分数一致。
• 宇宙微波背景在 $z \sim 600$ 处的 $f_{\rm eff}(z)$ 约束将湮灭截面限制在 $\langle \sigma v \rangle_{\rm CMB} < 3.4 \times 10^{-28}~{\rm cm}^3/{\rm s}/{\rm GeV}$（95% 置信水平），在考虑局部密度不确定性后，部分基准点仍勉强兼容。
• 该模型同时解释了 $R_{K^{(*)}}$ 异常、AMS-02 正电子过剩、中微子质量与暗物质丰度，且与直接探测、$B_s$ 混合及 $B$-物理约束一致。