[论文解读] $R_{K^{(*)}}$ anomaly in type-III 2HDM

Abdesslam Arhrib, Rachid Benbrik+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文研究了在类型-III两希格斯双重模型（2HDM）中，$R_{K^{(*)}}$ 异常现象，表明一个轻量级的带电希格斯玻色子与较大的 $\tan\beta$ 可以解释在 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 衰变中观测到的与标准模型的偏离。该模型通过带电希格斯的 penguin 图和 box 图，成功地同时解释了 $R_{K^{(*)}}$、$B_s \to \mu^+\mu^-$ 以及其他稀有 $b \to s\mu^+\mu^-$ 过程，而类型-II 2HDM 则无法实现这一点。

ABSTRACT

Recent experimental results provided by the CMS and LHCb, Belle and BaBar collaborations are showing a tension with the SM predictions in $R_{K^{(*)}}$, which might call for an explanation from new physics. In this work, we examine this tension in the type-III two-Higgs doublet models. We focus on the contributions of charged Higgs boson to the observable(s) $R_{K^{(*)}}$ and other rare processes $ΔM_q$ ($q=s,d$), $B o X_s γ$ $B_s o μ^+ μ^{-}$ and $B_q o X_s μ^+ μ^{-}$, which are governed by the same effective Hamiltonian. It is found that regions of large $ anβ$ and light charged Higgs mass $m_{H^\pm}$ can explain the measured value of $R_{K^{(*)}}$ and accommodate other B physics data as well. In contrast, the type-II two-Higgs doublet model can not.

研究动机与目标

• 解释观测到的 $R_{K^{(*)}}$ 异常，即在 $B \to K^{(*)}\mu^+\mu^-$ 衰变中与标准模型相比存在 $2.6\sigma$ 的偏离。
• 检验类型-III 2HDM 是否能够同时容纳 $R_{K^{(*)}}$、$B_s \to \mu^+\mu^-$ 以及其他稀有 $b \to s\mu^+\mu^-$ 过程。
• 比较类型-III 2HDM 与类型-II 2HDM 的可行性，后者无法解释 $R_{K^{(*)}}$ 异常。
• 识别参数区域——特别是轻量级 $m_{H^\pm}$ 和大 $\tan\beta$ ——使得 $C_9^\mu \sim -1$，与实验数据一致。

提出的方法

• 构建类型-III 2HDM 中 $b \to s\mu^+\mu^-$ 转换的有效哈密顿量，包括带电希格斯 penguin 图和 box 图的贡献。
• 通过涉及带电希格斯和费米子耦合的一圈图，计算威尔逊系数 $C_9^\mu$ 和 $C_{10}^\mu$。
• 使用圈函数 $f_i(x,y)$ 和 $g_j(x,y)$ 来评估 penguin 和 box 振幅，其中 $x = m_b^2/m_{H^\pm}^2$，$y = m_s^2/m_{H^\pm}^2$。
• 对 $R_{K^{(*)}}$、$\Delta M_s$、$\Delta M_d$、$B \to X_s\gamma$、$B_s \to \mu^+\mu^-$ 以及 $B_q \to X_s\mu^+\mu^-$ 观测量进行全局拟合。
• 施加电弱精确测试、希格斯信号强度以及味改变中性流（FCNC）的约束。
• 将预测结果与 LHCb、Belle 和 BaBar 的实验数据进行比较，重点关注 $R_{K^{(*)}}$ 和 $R_{B_s}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 类型-III 2HDM 是否能够在不违反其他 $B$ 物理约束的前提下，通过负的 $C_9^\mu$ 解释 $R_{K^{(*)}}$ 异常？
• RQ2 在 $m_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 平面中，哪些参数区域能够重现 $R_{K^{(*)}}$ 的实验数据？
• RQ3 为何类型-III 2HDM 能够成功解释 $R_{K^{(*)}}$ 异常，而类型-II 2HDM 却失败？
• RQ4 在类型-III 2HDM 中，带电希格斯对 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 和 $R_{B_s}$ 的贡献与标准模型预测相比如何？
• RQ5 该模型是否能够通过单一新物理 sector 同时解释 $P_5'$ 异常和 $R_{K^{(*)}}$ 异常？

主要发现

• 需要较大的 $\tan\beta$ 和轻量级的带电希格斯质量 $m_{H^\pm}$ 才能产生与标准模型偏离 $4.3\sigma$ 的负 $C_9^\mu \sim -1$。
• 类型-III 2HDM 在 $1\sigma$ 误差范围内成功解释了 $R_{K^{(*)}} = 0.745^{+0.090}_{-0.074}$ 和 $R^{\rm low}_{K^*} = 0.660^{+0.110}_{-0.070}$ 的实验值。
• 该模型预测 $R_{B_s} \sim 0.9$，低于标准模型值，与在 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 中观测到的 $10\%$ 缺失一致。
• 类型-II 2HDM 无法解释 $R_{K^{(*)}}$ 异常，原因在于味改变耦合以及 $Z$-penguin 抑制，而类型-III 模型则无此问题。
• 当 $\tan\beta \sim 10$ 且 $m_{H^\pm} \lesssim 100\,{\rm GeV}$ 时，该模型与 $\Delta M_s$、$\Delta M_d$、$B \to X_s\gamma$ 以及 $B_q \to X_s\mu^+\mu^-$ 一致。
• 在类型-III 2HDM 中，有效哈密顿量通过 $Z$-和 $\gamma$-penguin 图（伴随 $H^\pm$ 交换）生成 $C_9^\mu \sim -1$，其机制由大 $\tan\beta$ 和轻量级 $m_{H^\pm}$ 驱动。