[论文解读] Leptoquark-vectorlike quark model for the CDF $m_W$, $(g-2)_μ$, $R_{K^{(\ast)}}$ anomalies and neutrino mass

Talal Ahmed Chowdhury, Shaikh Saad|arXiv (Cornell University)|May 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出一个统一模型，包含两个标量轻子对偶子（$\widetilde{R}_2$，$S_3$）和一个矢量型夸克（$\psi$），以同时解释CDF测得的$W$玻色子质量异常、$(g-2)_\mu$偏差、$R_{K^{(*)]}$轻子味 universality 违反现象以及中微子质量。该模型通过圈图诱导的$W$玻色子自能修正、对μ子反常磁矩的显著新物理贡献，以及树图级$B$介子衰变振幅实现上述目标，同时与现有的LHC、LEP和$\mu\to e$转换约束保持一致。

ABSTRACT

Very recently, a substantial $7σ$ deviation of the $W$-boson mass from the Standard Model (SM) prediction has been reported by the CDF collaboration. Furthermore, the Muon g-2 Experiment recently confirmed the longstanding tension in $(g-2)_μ$. Besides, the updated result from the LHCb collaboration found evidence for the breaking of lepton universality in beauty-quark decays, which shows a $3.1σ$ discrepancy and is consistent with their previous measurements. Motivated by several of these drawbacks of the SM, in this work, we propose a model consisting of two scalar leptoquarks and a vectorlike quark to simultaneously address the $W$-boson mass shift, the $(g-2)_μ$, and anomalies in the neutral current transitions of the $B$-meson decays. The proposed model also sheds light on the origin of neutrino mass and can be fully tested at the future colliders.

研究动机与目标

• 解决CDF测量中$W$玻色子质量出现的$7\sigma$偏差，该偏差与标准模型预测相矛盾。
• 解决μ子反常磁矩$(g-2)_\mu$长期存在的$4.2\sigma$偏差。
• 解释$B$介子衰变中轻子味 universality 违反的$3.1\sigma$缺失现象，即$R_K$和$R_{K^*}$比值的异常。
• 在一致的新物理框架内提供生成中微子质量的机制。
• 构建一个在现象学上可行且可在未来高能对撞机上检验的模型。

提出的方法

• 引入两个标量轻子对偶子：$\widetilde{R}_2 \sim (3,2,1/6)$ 和 $S_3 \sim (\overline{3},3,1/3)$，以及一个矢量型夸克$\psi \sim (3,2,-5/6)$，以扩展标准模型。
• 利用$\widetilde{R}_2$与$S_3$轻子对偶子之间的非零混合，生成对$W$玻色子自能的圈修正，从而解释$W$玻色子质量的偏移。
• 利用相同的混合机制，通过质量反转的矢量型夸克圈图，生成对$(g-2)_\mu$的显著新物理贡献。
• 利用$S_3$轻子对偶子与标准模型费米子的Yukawa耦合，介导$B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$衰变，并解释$R_{K^{(*)}}$异常。
• 通过矢量型夸克与轻子对偶子耦合实现类似 seesaw 的机制，生成小的中微子质量。
• 进行全局拟合，并施加来自$\mu\to e$转换、$B\to K^{(*)}\nu\bar{\nu}$、$B_s$混合以及LEP数据的约束，以确保模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的新物理模型能否同时解释CDF测得的$m_W$异常、$(g-2)_\mu$偏差以及$R_{K^{(*)}}$异常？
• RQ2 轻子对偶子混合与矢量型夸克圈图如何分别贡献于$W$玻色子自能和μ子$g-2$？
• RQ3 来自$\mu\to e$转换、$B\to K^{(*)}\nu\bar{\nu}$和$B_s$混合可观测量的约束条件是什么？
• RQ4 该模型能否通过类似seesaw的机制生成小的中微子质量？
• RQ5 该模型在未来的对撞机上（包括$pp$和$e^+e^-$装置）在多大程度上可被检验？

主要发现

• 该模型通过$\widetilde{R}_2$–$S_3$混合的圈修正，成功解释了CDF测得的$W$玻色子质量$80.4335 \pm 0.0094$ GeV，与标准模型的$7\sigma$偏差一致。
• 该模型对$(g-2)_\mu$异常的解释贡献了$\Delta a_\mu = (2.51 \pm 0.59) \times 10^{-9}$的新物理贡献，与实验值在$4.2\sigma$显著性水平下一致。
• 通过$S_3$介导的$B$介子衰变，$R_K$和$R_{K^*}$比值的异常现象被成功解释，其与标准模型的偏差为$3.1\sigma$，与LHCb测量结果一致。
• 该模型预测$BR(B \to K^{(*)}\nu\bar{\nu})$比值在Belle实验的限制范围内：$R^{\nu\bar{\nu}}_K < 3.9$ 且 $R^{\nu\bar{\nu}}_{K^*} < 2.7$。
• $B_s$混合质量差$\Delta m_{B_s}$被约束在$|C^{NP}_1| < 2.01 \times 10^{-5}\ \text{TeV}^{-2}$范围内，该模型满足此约束。
• 该模型预测的$\mu\to e$转换率低于当前限制$7 \times 10^{-13}$，未来灵敏度可达$10^{-16}$，使其在即将开展的实验中可被检验。