[论文解读] Scalar diquark in t tbar production and constraints on Yukawa sector of grand unified theories

Nejc Košnik, Ilja Doršner+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出一种超荷为 4/3 的带色标量二夸克（Δ），作为解释顶夸克正向-反向不对称性与μ子反常磁矩的解决方案。结果表明，Δ 可同时解释这两项异常，且满足严格的味改变中性流与轻子味破坏约束，在大统一理论的 Yukawa 规范中具有优选质量窗口（低于 560 GeV）及特定的耦合层次结构。

ABSTRACT

A colored weak singlet scalar state with hypercharge 4/3 is one of the possible candidates for the explanation of the unexpectedly large forward-backward asymmetry in $t \bar t$ production as measured by the CDF and D0 experiments. We investigate the role of this state in a plethora of flavor changing neutral current processes and precision observables of down-quarks and charged leptons. Our analysis includes tree- and loop-level mediated observables in the K and B systems, the charged lepton sector, as well as the $Z o b \bar b$ width. We perform a fit of the relevant scalar couplings. This approach can explain the $(g-2)_μ$ anomaly while tensions among the CP violating observables in the quark sector, most notably the nonstandard CP phase (and width difference) in the $B_s$ system cannot be fully relaxed. The results are interpreted in a class of GUT models which allow for a light colored scalar with a mass below 1 TeV.

研究动机与目标

• 通过一种超荷为 4/3 的带色标量二夸克解释 Tevatron 中 t\bar{t} 产生过程的显著正向-反向不对称性。
• 研究该二夸克对涉及下夸克与带电轻子的味改变中性流过程的影响。
• 评估该二夸克在满足低能精确可观测量的前提下，解决μ子反常磁矩异常的可行性。
• 在 SU(5) 与 SO(10) 大统一理论框架下，约束该二夸克的 Yukawa 耦合。
• 通过实验数据的全局拟合，确定该二夸克质量与耦合的允许参数空间。

提出的方法

• 标量二夸克 Δ 通过反对称 Yukawa 耦合矩阵 $ g_{ij} $ 与右手中性夸克耦合，其中 $ g_{ut} $ 负责增强 t\bar{t} 产生。
• 在尺度 $ \mu = m_\Delta $ 下，利用有效场论计算 Δ 的树图与圈图贡献，涵盖 $ D-\bar{D} $ 混合、$ B_s $ 混合、$ Z \to b\bar{b} $ 宽度及稀有衰变。
• 推导出 $ C=2 $ 的 $ D-\bar{D} $ 混合的有效哈密顿量为 $ \mathcal{H}^{\Delta C=2} \propto (g_{ut}g_{ct}^*)^2 h(m_\Delta^2/m_t^2) Q_6 $，其中 $ Q_6 $ 为四夸克算符。
• 通过包含 $ Y_{\mu i} $ 耦合至μ子与下夸克的一圈图计算μ子反常磁矩，得到 $ a_\mu^{\rm new} \propto \sum_i |Y_{\mu i}|^2 m_\mu^2 / m_\Delta^2 $。
• 对 15 个自由度（包括 $ a_\mu $、CKM 矩阵元、$ \Delta m_s $ 与 $ \sin 2\beta $）进行全局 $ \chi^2 $ 拟合，以约束 $ Y $ 矩阵。
• 利用 Tevatron 中二胶子与单顶夸克产生的数据约束 $ |g_{uc}| $，而 LHC 中第二代轻子偶素的观测结果设定了 $ m_\Delta \gtrsim 380 $ GeV 的质量下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个超荷为 4/3 的带色标量二夸克能否同时解释 t\bar{t} 产生中的显著正向-反向不对称性与μ子反常磁矩？
• RQ2 从 $ D-\bar{D} $ 混合与 Tevatron 二胶子/单顶夸克数据出发，该二夸克对 charm 与 up 夸克的耦合受到何种约束？
• RQ3 轻子味破坏与味改变中性流过程如何限制该二夸克对带电轻子与下夸克的 Yukawa 耦合？
• RQ4 在综合实验约束下，SU(5) 与 SO(10) 大统一理论中该二夸克的可行质量窗口为何？
• RQ5 若存在一个轻量二夸克，其在下夸克与带电轻子扇区的对称 Yukawa 结构是否仍可相容？

主要发现

• 由微扰性约束得 $ m_\Delta < 560 $ GeV，由 LHC 数据得 $ m_\Delta \gtrsim 380 $ GeV，形成狭窄的发现窗口。
• 全局 $ \chi^2 $ 拟合得到 $ \chi^2_{\rm min} = 2.5 $（15 个自由度），表明与数据高度一致，且 $ a_\mu $ 异常被完全解决。
• 在 $ Y_{\mu i} $ 的 1σ 允许范围内，$ Y_{\mu d} $、$ Y_{\mu s} $ 或 $ Y_{\mu b} $ 的值可达约 1 量级，具体取决于参数区域，而 $ Y_{\mu e} $ 显著被抑制。
• 由于 $ D-\bar{D} $ 混合约束，$ |g_{ct}| $ 在 2σ 置信水平下被限制在 $ < 0.0038 $，且与相位假设无关。
• 二胶子与单顶夸克数据约束了 $ |g_{uc}| $，Tevatron 数据已排除 $ m_\Delta $–$ |g_{uc}| $ 平面中的大范围区域。
• 若二夸克质量不够大以脱离低能物理影响，则下夸克与带电轻子扇区的对称 Yukawa 结构与轻量二夸克场景不相容。