[论文解读] Singlet Heavy Fermions as the Origin of B Anomalies in Flavour Changing Neutral Currents

Francisco J. Botella, G.C. Branco+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 4

一句话总结

该论文提出，单态重费米子——特别是矢量型夸克和重中微子——可通过涉及 $Z$ 玻色子和盒图交换的圈图，生成轻子味 universality 破坏（LFUV），从而解释 $b\to s\ell\bar{\ell}$ 系列衰变中的 B 异常。该模型在 $b\to s\mu\bar{\mu}$ 中实现了约 15% 的新物理贡献，且 $\delta C_9 \simeq -0.6$，同时通过离散味对称性和 $3\times3$ PMNS 单位性约束，有效抑制了危险的 FCNC 过程。

ABSTRACT

We show that a simple extension of the Standard Model involving the introduction of vector-like quarks and heavy neutrinos, provides an explanation of the so called B-anomalies in $b o s\ell\bar\ell$ transitions. Vector-like quarks can explain, in the context of a discrete flavour symmetry, all the relevant characteristics of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa sector. It is in this framework that we study the requirements on the masses of the vector like quarks and the heavy neutrinos leading to viable models with sufficient deviations of lepton flavour universality and which simultaneously avoid too large Flavour Changing Neutral Current effects. Related predictions on $b o d\ell\bar\ell$ and $s o d\ell\bar\ell$ transitions are also analysed in detail.

研究动机与目标

• 解释在 $b\to s\ell\bar{\ell}$ 衰变中观测到的 $B$ 异常，特别是 $R_{K^{(*))}$ 中的轻子味 universality 破坏（LFUV）。
• 构建标准模型的最小扩展，引入矢量型夸克和重中微子，通过离散味对称性再现 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa（CKM）混合结构。
• 通过抑制树图级 $Z$ 和希格斯介导的 SM 夸克之间的 FCNC，确保模型避免产生大的味改变中性流（FCNC）。
• 约束矢量型夸克和重中微子的质量与混合参数，使其在 $b\to s\mu\bar{\mu}$ 中产生约 15% 的新物理贡献，同时保持与电弱精确观测和轻子味破坏约束的一致性。

提出的方法

• 引入矢量型夸克和重中微子作为与 SM 费米子混合的新重费米子，通过离散味对称性解释 CKM 矩阵元的小值。
• 计算通过包含虚粒子重夸克和中微子的盒图与 $Z$-泡利图贡献的一圈图对 $b\to s\ell\bar{\ell}$ 的贡献。
• 采用有效哈密顿量方法，利用威尔逊系数 $C_9$ 和 $C_{10}$ 建模新物理贡献，重点关注 $C_9^{[\mu]} \simeq -0.6$ 的 SM 偏差。
• 利用 PMNS 矩阵非幺正性的参数 $\Delta_\ell = 1 - \sum_j |U_{\ell j}|^2$ 对重中微子与 $\mu$ 和 $e$ 的混合进行约束。
• 应用来自 $G_\mu$ 与 $G_\beta$ 及 $g_\mu/g_e$ 比值的约束，将 $\Delta_\mu \lesssim 1.8\times10^{-3}$ 限制在 3$\sigma$ 水平。
• 分析 $b\to d\ell\bar{\ell}$ 和 $s\to d\ell\bar{\ell}$ 衰变的预测，以检验模型与其他 $B$ 物理可观测量的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个仅包含矢量型夸克和重中微子的 SM 简单扩展，是否能在不引发大 FCNC 的前提下解释 $b\to s\ell\bar{\ell}$ 衰变中的 $B$ 异常？
• RQ2 为在 $b\to s\mu\bar{\mu}$ 中产生约 15% 的新物理贡献并实现 $\delta C_9 \simeq -0.6$，矢量型夸克和重中微子所需的质量和混合模式是什么？
• RQ3 重中微子的非幺正 PMNS 混合如何导致 $b\to s\mu\bar{\mu}$ 中的轻子味 universality 破坏，同时保持 $b\to se\bar{e}$ 与 SM 水平一致？
• RQ4 来自电弱精确观测和 $g_\mu/g_e$ 比值的约束如何限制重中微子混合，进而限制 LFUV 的大小？
• RQ5 $b\to d\ell\bar{\ell}$ 和 $s\to d\ell\bar{\ell}$ 衰变的预测是否与当前实验数据和全局拟合一致？

主要发现

• 该模型在 $\mu_b = 4.8$ GeV 时，对 $b\to s\mu\bar{\mu}$ 的新物理贡献中，$\delta C_9 \simeq -0.6$，与 $R_{K^{(*)}}$ 数据的全局拟合一致。
• 涉及虚粒子矢量型夸克和重中微子的 $Z$-介导泡利图与盒图是 LFUV 的主要来源，其中 $Z$-泡利图为主要贡献者。
• 重中微子与 $\mu$ 和 $e$ 的混合受到 universality 测试的约束：从 $G_\mu$ 与 $G_\beta$ 及 $g_\mu/g_e$ 比值出发，$\Delta_\mu \lesssim 1.8\times10^{-3}$ 在 3$\sigma$ 水平下成立。
• 由于离散味对称性，该模型自然抑制了 SM 夸克之间的树图级 FCNC，同时允许在约 15% 水平上的圈图级 FCNC。
• $b\to d\ell\bar{\ell}$ 和 $s\to d\ell\bar{\ell}$ 衰变的预测与当前数据一致，未引入新的矛盾。
• 在 3$\sigma$ 水平下，$\mu$ 与重中微子的最大允许混合为 $|U_{\mu j}|^2 \lesssim 1.8\times10^{-3}$；若假设 $\Delta_e = 0$，则为 $1.4\times10^{-3}$。