[论文解读] Rare B decays in the flip SU(5) Model

Tianjun Li, Dimitri V. Nanopoulos+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了在包含TeV尺度矢量型夸克的Flipped SU(5)×U(1)X模型中稀有B衰变的性质，表明这些矢量型夸克在$B\to X_s\gamma$和$B\to X_s\ell^+\ell^-$过程中的树图贡献导致了$\bar{b}sZ$相互作用以及非解耦效应，从而使得$B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$的分支比达到$(4\sim 5)\times 10^{-8}$，该结果可能在LHCb实验中被检验。

ABSTRACT

In the testable Flipped $SU(5) imes U(1)_X$ model with TeV-scale vector-like particles from F-theory model building dubbed as the flip SU(5) model, we study the vector-like quark contributions to B physics processes, including the quark mass spectra, Feynman rules, new operators and Wilson coefficients, etc. We focus on the implications of the vector-like quark mass scale on B physics. We find that there exists the $\bar{s}bZ$ interaction at tree level, and the Yukawa interactions are changed. Interestingly, different from many previous models, the effects of vector-like quarks on rare B decays such as $B o X_sγ$ and $B o X_s\ell^+\ell^-$ do not decouple in some viable parameter space, especially when the vector-like quark masses are comparable to the charged Higgs boson mass. Under the constraints from $B o X_sγ$ and $\ B o X_s\ell^+\ell^-$, the latest measurement for $B_s o μ^+μ^-$ can be explained naturally, and the branching ratio of $B_s o \ell^+\ell^-γ$ can be up to $(4\sim5) imes10^{-8}$. The non-decouling effects are much more predictable and thus the \fsu5 model may be tested in the near future experiments.

研究动机与目标

• 研究TeV尺度矢量型夸克对$φ$-SU(5)模型中稀有B衰变的影响。
• 推导该模型中的夸克质量谱、费曼规则及有效哈密顿量算符。
• 研究矢量型夸克质量如何影响稀有B衰变的威尔逊系数与分支比。
• 将该模型与来自$B\to X_s\gamma$、$B\to X_s\ell^+\ell^-$和$B_s\to\mu^+\mu^-$的实验约束进行对比。
• 评估该模型在近期LHC实验（尤其是LHCb）中的可预测性与可检验性。

提出的方法

• 从$φ$-SU(5)模型的扩展规范结构与Yukawa耦合结构出发，推导夸克质量谱与费曼规则。
• 构建低能有效哈密顿量，由于非幺正的5×5夸克混合，引入了新算符$O_9'$与$O_{10}'$。
• 利用圈函数$A(x)$、$B(x)$、$C(x)$等，在匹配尺度上计算威尔逊系数，同时包含矢量型夸克与带电Higgs的贡献。
• 引入来自$B\to X_s\gamma$、$B\to X_s\ell^+\ell^-$与$B_s\to\mu^+\mu^-$的约束，以限制参数空间。
• 进行数值分析，计算在可行参数集合下$B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$的分支比。
• 将预测结果与实验上限进行比较，识别出LHCb可探测的信号区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于矢量型夸克的存在，$φ$-SU(5)模型是否会产生树图级别的$\bar{b}sZ$相互作用？
• RQ2 当矢量型夸克质量与带电Higgs玻色子质量相当时，其质量如何影响稀有B衰变中的威尔逊系数，尤其是对$B\to X_s\gamma$和$B\to X_s\ell^+\ell^-$过程的影响？
• RQ3 该模型是否能在特定参数选择下，自然地解释最新的$B_s\to\mu^+\mu^-$分支比实验测量结果？
• RQ4 在综合约束条件下，$B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$的最大预测分支比是多少？
• RQ5 矢量型夸克在稀有B衰变中表现出的非解耦效应是否足够可预测，从而可在LHCb实验中被探测？

主要发现

• $φ$-SU(5)模型由于矢量型夸克的存在，产生树图级别的$\bar{b}sZ$相互作用，从而改变了有效哈密顿量的结构。
• 当矢量型夸克质量与带电Higgs玻色子质量相近时，其对稀有B衰变（如$B\to X_s\gamma$和$B\to X_s\ell^+\ell^-$）的贡献不会解耦。
• 在特定参数选择下，该模型可自然解释最新的$B_s\to\mu^+\mu^-$分支比实验测量结果。
• 在可行参数空间中，$B_s\to\ell^+\ell^{-}\gamma$的分支比可达到$(4\sim 5)\times 10^{-8}$。
• 非解耦效应具有高度可预测性，可能在未来的LHCb实验中被探测，尤其当分支比超过$10^{-8}$时。
• 该模型避免了Landau极点，并具有非幺正的$5\times5$夸克混合矩阵，使其与标准2HDM及其他标准模型扩展模型相区别。