[论文解读] Shedding light on the $b o s$ anomalies with a dark sector

D. Aristizábal Sierra, Florian Staub+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 76

一句话总结

该论文提出对标准模型进行U(1)规范扩展，并引入一个暗物质 sector，以解释LHCb观测到的$b\to s$异常。一个具有质量的$Z'$玻色子通过圈图诱导的耦合介导味改变的中性流及轻子普遍性破坏，成功拟合$R_K$和角可观测量，同时在受约束的参数空间内提供了一个可行的暗物质候选者。

ABSTRACT

The LHCb collaboration has recently reported on some anomalies in $b o s$ transitions. In addition to discrepancies with the Standard Model (SM) predictions in some angular observables and branching ratios, an intriguing hint for lepton universality violation was found. Here we propose a simple model that extends the SM with a dark sector charged under an additional $U(1)$ gauge symmetry. The spontaneous breaking of this symmetry gives rise to a massive $Z^\prime$ boson, which communicates the SM particles with a valid dark matter candidate, while solving the $b o s$ anomalies with contributions to the relevant observables.

研究动机与目标

• 为解决$b\to s$衰变中持续存在的$P_5'$和$R_K$偏离标准模型的现象。
• 在标准模型的最小扩展中，统一解释味异常与可行的暗物质候选者。
• 通过$Z'$介导的贡献与暗物质丰度的相互作用，约束参数空间。
• 通过希格斯耦合修正与大型强子对撞机$Z'$产生，探索模型的物理解释性。

提出的方法

• 引入一个$U(1)_X$规范对称性，包含一个复标量暗物质候选者与一个矢量型轻子双重态。
• 通过希格斯机制自发破缺$U(1)_X$，生成一个与SM费米子通过混合耦合的具有质量的$Z'$玻色子。
• 在SM轻子与矢量型态之间引入Yukawa耦合，导致在圈图级别上产生有效的$b\to s\mu\mu$与$b\to s\mu\mu$算符。
• 通过涉及$Z'$与矢量型费米子的一圈图计算威尔逊系数$C_9^{\text{NP}}$与$C_7^{\text{NP}}$。
• 利用$R_K$测量值、$B\to K^*\mu\mu$角可观测量与普朗克暗物质丰度极限，约束模型参数。
• 通过$h\to\mu\mu$耦合抑制与大型强子对撞机中$Z'$产生，评估物理解释信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自暗物质$U(1)_X$规范sector的$Z'$玻色子能否同时解释$b\to s$异常并提供一个暗物质候选者？
• RQ2 对μ子与夸克的圈图诱导$Z'$耦合如何影响$R_K$与$P_5'$可观测量？
• RQ3 $Z'$介导的味物理与暗物质丰度之间的相互作用会带来何种约束？
• RQ4 $h\to\mu\mu$耦合与大型强子对撞机中$Z'$产生对模型参数空间的敏感程度如何？
• RQ5 矢量型与SM费米子之间Yukawa混合层次如何影响模型的可行性？

主要发现

• 该模型成功拟合了$R_K = 0.745^{+0.090}_{-0.074}$的测量结果，与标准模型存在$2.6\sigma$的偏差，其中$C_9^{\text{NP}}$主导了$Z'$的贡献。
• 树图级$Z'$交换到$\mu\mu$末态对$C_9^{\text{NP}}$有主导贡献，而$C_7^{\text{NP}}$保持次级（变化小于$1\%$）。
• $h\to\mu\mu$耦合低于标准模型值，与ATLAS的$95\%$置信水平上限$\mu_{\mu\mu} < 9.8$一致，其中$g_{h\mu\mu} \lesssim 3.1g_{h\mu\mu}^{\text{SM}}$。
• 由于$R_K$、$P_5'$与普朗克$\Omega_{\text{DM}}h^2$极限的约束，该模型预测了一个狭窄且具有预测性的参数空间。
• 对第一代SM费米子的Yukawa耦合被强烈抑制（$\lambda_{L}^{e}, \lambda_{Q}^{d} \ll \lambda_{L}^{\mu,\tau}, \lambda_{Q}^{s,b}$），以避免味破坏约束。
• 在更新的全局拟合中，该模型依然可行，当包含$R_K$时，新物理假设在$>4\sigma$显著性下优于标准模型。