[论文解读] Saga of the two GUT leptoquarks in flavor universality and collider searches

Ilja Doršner, Svjetlana Fajfer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 23

一句话总结

该论文提出两种轻量级标量轻子球子——S₃ 和 R̃₂——以解释在 B 介子衰变中观测到的轻子味 universality 偏离现象，特别是 R(K⁎) 和 R(D⁎])。S₃ 轻子球子通过与第二代和第三代轻子及夸克的左手耦合，介导了这两种异常；而 R̃₂ 状态在 SU(5) GUT 框架下保持规范耦合统一，并满足严格的味物理约束。该模型预测了对 B → K̄μ⁺μ⁻ 衰变的增强敏感性，同时通过高能 ττ 最终态和轻子球子对产生，在 LHC 上测试到大 τ 轻子耦合。

ABSTRACT

We introduce two light scalar leptoquarks to accomodate the recent hints of lepton universality violation in $B$ meson decays. Scalar leptoquark $S_3 (\overline{3},3,1/3)$ with left-handed couplings to 2nd and 3rd generations of charged leptons and down-type quarks addresses both $R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$. The second state, $ ilde R_2(3,2,1/6)$, ensures compatibility with additional flavor constraints and secures unification of gauge couplings in the context of an $SU(5)$ GUT model without any conflict with the stringent limits from observed proton stability. We present the global fit of the flavor couplings and identify $B o K \bar u u$ as the most sensitive channel to probe this model. Large couplings to $ au$ leptons are confronted with the experimental searches for $ au$ final states at the Large Hadron Collider. These searches comprise a study of decay products of the leptoquark pair production, as well as, and more importantly, an analysis of the high-mass $ au au$ final states.

研究动机与目标

• 解释在 B 介子衰变中观测到的异常，特别是 R(K⁎) 和 R(D⁎])，这些异常表明轻子味 universality 被破坏。
• 构建一个在 SU(5) GUT 框架下保持规范耦合统一的电弱标准模型可行扩展。
• 满足严格的味物理约束，包括稀有衰变和稀有 K 介子过程。
• 识别最敏感的对撞机探测通道以检验该模型，特别是 LHC 上的探测。
• 评估在当前和未来 LHC 探测背景下，大 τ 轻子耦合的可行性。

提出的方法

• 引入两种标量轻子球子：S₃(3̄,3,1/3)，通过左手耦合至 μ、τ 轻子及 d、s 夸克；R̃₂(3,2,1/6)，用于稳定味物理和统一性。
• 构建包含这些轻子球子的最小 SU(5) GUT 模型，确保规范耦合统一，且不与质子衰变极限冲突。
• 对味物理可观测量（包括 R(K⁎]、R(D⁎]) 以及稀有 K 和 B 衰变）进行全局拟合，以约束模型参数。
• 识别 B → K̄μ⁺μ⁻ 为最敏感的味物理探测通道，因其受 S₃ 交换贡献增强。
• 分析 LHC 签名，重点关注轻子球子对产生及单个轻子球子衰变产生的高能 ττ 最终态。
• 利用现有的 LHC 对 τ 轻子最终态的搜索结果来约束模型，尤其关注大 τ 轻子耦合的情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个双轻子球子模型能否在不违反味物理或统一性约束的前提下，同时解释 R(K⁎] 和 R(D⁎]) 异常？
• RQ2 S₃ 和 R̃₂ 的特定量子数和耦合方式如何确保与质子稳定性和 SU(5) 规范耦合统一的一致性？
• RQ3 哪种味衰变通道对模型预测最敏感，且可在 LHC 上探测？
• RQ4 该模型的主要 LHC 签名是什么，特别是在高能 ττ 最终态和轻子球子对产生方面？
• RQ5 当前 LHC 对 τ 轻子最终态的搜索如何约束模型的参数空间，特别是对大 τ 轻子耦合的情形？

主要发现

• 具有 μ 和 τ 轻子及下夸克左手耦合的 S₃ 轻子球子，在一致框架下成功解释了 R(K⁎] 和 R(D⁎]) 异常。
• 引入 R̃₂ 轻子球子确保了模型在质子稳定性和 SU(5) 规范耦合统一方面保持兼容。
• 全局拟合表明，B → K̄μ⁺μ⁻ 是最敏感的味物理探测通道，因其受 S₃ 交换贡献增强。
• 大 τ 轻子耦合受到 LHC 探测的约束，尤其体现在高能 ττ 最终态和轻子球子对产生通道中。
• 该模型预测在 LHC 上高能 ττ 最终态中可观测到信号，使这些通道成为未来检验的关键。
• 在当前实验限制下，该模型依然可行，尤其在味约束与对撞机信号相互作用的背景下。