[论文解读] Implications of a vector-like lepton doublet and scalar Leptoquark on $R(D^{(*)})$

Lobsang Dhargyal, Santosh Kumar|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出引入一个Z₂奇性的矢量型轻子双重态、一个SU(3)c三重态标量轻子偶素（超荷+2/3）以及一个标量单重态，全部添加至标准模型，以解释R(D*)与R(D)异常。该模型在R(D*)与R(D)中实现了显著的新物理贡献，将理论与实验之间的张力分别从3.4σ降低至0.8σ，以及从2.3σ降低至0.6σ，同时满足来自Z极点、中性介子混合以及S/T/U参数的严格约束。

ABSTRACT

We study the phenomenological constraints and consequences in the flavor sector, of introducing a new fourth generation $\mathcal{Z}_{2}$ odd vector-like lepton doublet along with a Standard Model (SM) singlet scalar and an $SU(2)_{L}$ singlet scalar leptoquark carrying electromagnetic charge of $+2/3$, both odd under a $\mathcal{Z}_{2}$. We show that with little fine tuning among the various Yukawa couplings in the new physics (NP) Lagrangian along with the CKM parameters, the model is able to push the theoretical value of $R(D^{*})^{th}$ from $0.252 \pm 0.003$ to $0.263 \pm 0.051$ and $R(D)^{th}$ from $0.300 \pm 0.008$ to $0.313 \pm 0.158$ compared to the SM value. Especially the NP contributions are able to reduce the discrepancy between experiment and theory of $R(D^{*})$ substantially compared to SM. This is quite impressive given that the model satisfy all other very stringent constrains coming from neutral meson oscillations and precision $Z$-pole data.

研究动机与目标

• 为解决标准模型预测与R(D*)和R(D)实验测量之间持续存在的张力，后者显示2–4σ的偏离。
• 构建一个可行的标准模型扩展，以解释这些异常，同时不违反严格的味物理与精确电弱约束。
• 探讨一个在Z₂对称性下奇性的矢量型轻子双重态与标量轻子偶素是否能产生足够大的R(D*)与R(D)贡献。
• 确保模型与中性介子混合、Z极点可观测量以及Peskin-Treiman的S、T、U参数保持一致。
• 识别一个可行的参数空间，使得新物理贡献足够大以解决异常，同时与所有当前实验限制兼容。

提出的方法

• 引入一个在SU(2)L下为双重态、在Z₂对称性下为奇性的矢量型轻子双重态(F⁰, F⁻)。
• 添加一个超荷为+2/3、Z₂奇性的SU(3)c三重态标量轻子偶素(ϕLQ)，以及一个Z₂奇性的复标量单重态(S)。
• 构建涉及新粒子的Yukawa相互作用作用量：LNP = Σ_i h_i Q̄_iL L_4R ϕLQ + Σ_j h_j L̄_jL L_4R S + m_F L̄_4L L_4R + h.c.。
• 包含一个在SM规范对称性与Z₂下不变的标量势，包含Higgs、ϕLQ与S的项，包括三线与四线耦合。
• 通过b → cτν̄_τ衰变计算对R(D*)与R(D)的贡献，包括SM与新物理振幅，考虑干涉效应。
• 施加来自K⁰–K̄⁰与B⁰_i–B̄⁰_i (i=d,s)振荡、Z极点衰变分支比（Br(Z→f̄f)）以及Peskin-Treiman的S、T、U参数的严格约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个Z₂奇性的矢量型轻子双重态与标量轻子偶素能否在不违反现有味物理约束的前提下，同时解释R(D*)与R(D)异常？
• RQ2 新物理对R(D*)与R(D)的贡献量级如何？其如何降低与实验数据的差异？
• RQ3 新粒子如何影响Z极点分支比与S/T/U参数等精确电弱可观测量？
• RQ4 在Yukawa耦合与质量参数上需要何种调谐，才能在满足所有实验限制的前提下实现显著的新物理贡献？
• RQ5 考虑到解决异常所需的质量尺度，新物理态是否在高亮度LHC运行阶段的探测能力范围内？

主要发现

• 该模型将R(D*)^th的理论预测值从标准模型中的0.252 ± 0.003提升至0.263 ± 0.051，显著降低了与实验的张力。
• R(D)^th的理论预测值从标准模型中的0.300 ± 0.008提升至0.313 ± 0.158，降低了与实验的差异。
• 由于新物理贡献，实验与理论在R(D*)上的差异从3.4σ降低至0.8σ。
• R(D)的差异从2.3σ降低至0.6σ，表明相比标准模型预测有显著改善。
• 该模型满足所有来自中性介子混合（K⁰–K̄⁰与B⁰_i–B̄⁰_i）的约束，ΔM_K与ΔM_Bs与实验限一致。
• Z极点分支比（如Br(Z→bb̄)_NP ≈ 4.7×10⁻⁵）与S/T/U参数（S ≈ 0.0203，T ≈ 0，U ≈ 0）均保持在实验限制范围内，证实了模型的可行性。