[论文解读] Snowmass White Paper: Flavor Model Building

Wolfgang Altmannshofer, Jure Zupan|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 5

一句话总结

本雪松会白皮书回顾了味模型构建作为理解标准模型味结构并借助精密味观测探测新物理的关键框架。它将 $b\to s\mu\mu$、$b\to c\tau\nu$ 和 $(g-2)_\mu$ 异常视为新物理的潜在迹象，指出可行的模型——如 $Z'$、轻子偶素和轴子样粒子（ALPs）——可预测出在大型强子对撞机或未来对撞机探测范围内的新粒子。

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass process, we summarize the role flavor model building plays in the quest for new physics. We review approaches to address the non-generic flavor structure of the Standard Model and discuss how new physics models can be made compatible with the stringent constraints from flavor changing processes that indirectly probe very high scales. We also give an overview of the persistent anomalies in B decays and the anomalous magnetic moment of the muon and some of their most popular new physics explanations.

研究动机与目标

• 分析味模型构建在引导新物理搜索中的作用，特别是在 $B$ 衰变中持续存在的异常以及μ子反常磁矩的背景下。
• 解决构建满足严格味约束的同时解释标准模型中费米子质量层次的紫外完备模型的挑战。
• 探讨新物理模型——特别是具有 $Z'$、轻子偶素或 ALPs 的模型——如何在不违反味破坏约束的前提下，同时解释 $(g-2)_\mu$ 异常和 $B$ 物理异常。
• 考察味结构、自然性与新物理机制（如复合希格斯、额外维度和低能超对称）之间的相互作用。
• 识别出在味一致的模型构建下产生的可行且实验可探测的新物理情景，即使尚未实现直接发现。

提出的方法

• 利用有效场论（EFT）通过受尺度 $\Lambda$ 抑制的高维算符来描述新物理效应，形式为 $\mathcal{L}_{\text{EFT}} = \mathcal{L}^{\text{SM}} + \sum_i \frac{1}{\Lambda^{d-4}} \mathcal{C}_i \mathcal{O}_i^{d>4}$。
• 应用最小味破坏（MFV）原则和无异常的 $U(1)_X$ 规范对称性，以抑制味改变的中性流和轻子味破坏。
• 分析通过内部费米子线上的手征性翻转产生的 $(g-2)_\mu$ 的圈图贡献，区分质量约为100 MeV的轻 $Z'$ 与需大手征性翻转的较重态（数TeV）。
• 评估以 $Z'$、轻子偶素和轴子样粒子（ALPs）为味破坏与味守恒新物理媒介的模型，其受 $\mu \to e\gamma$ 和 $B$ 衰变数据的约束。
• 考虑全局对称性和赝Nambu-Goldstone玻色子（如QCD轴子）在解决强CP问题和生成味层次结构中的作用。
• 通过将预测的新物理尺度与实验限制比较，评估模型的物理解释性，特别是从 $\mu \to e\gamma$ 得出 $\Lambda_{12} \gtrsim 3600$ TeV 的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用与味约束相容的新物理模型解释 $b\to s\mu\mu$ 和 $b\to c\tau\nu$ 衰变中观测到的异常？
• RQ2 哪些可行的新物理情景——如 $Z'$、轻子偶素或 ALPs——能够同时解释 $(g-2)_\mu$ 异常和 $B$ 物理异常？
• RQ3 味对称性和对齐机制如何在解释 $(g-2)_\mu$ 异常的模型中抑制轻子味破坏？
• RQ4 由 $B$ 物理和 $(g-2)_\mu$ 异常所暗示的新物理尺度是多少？它能否在大型强子对撞机或未来对撞机中探测到？
• RQ5 紫外完备模型——如复合希格斯、额外维度或低能超对称——为何需要非通用的味结构以避免味改变约束？

主要发现

• 若 $B$ 衰变中的 $b\to s\mu\mu$ 和 $b\to c\tau\nu$ 异常及 $(g-2)_\mu$ 偏差均由单一新物理贡献解释，则新物理尺度约为15 TeV（针对μ子磁矩）。
• 通过 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性耦合的轻 $Z'$ 玻色子（质量约100 MeV）模型可在不违反 $\mu \to e\gamma$ 约束的前提下解释 $(g-2)_\mu$，其原因在于味对齐。
• 对于手征性翻转发生在内部μ子线上的模型，新物理尺度被抑制至约100 MeV，使得此类 $Z'$ 模型在高亮度实验中极具可探测性。
• 相比之下，手征性翻转发生在新物理线上的模型则需要质量达数TeV的新粒子（如轻子偶素或超对称情形），才能产生所需的 $(g-2)_\mu$ 贡献。
• 由于未观测到 $\mu \to e\gamma$ 信号，表明味破坏的新物理尺度必须超过约3600 TeV，这要求可行模型中存在精细调节的味对齐或对称性保护。
• 许多可行模型——如 $Z'$、轻子偶素或 ALPs 模型——若当前异常得到证实，将预测出可在大型强子对撞机或下一代对撞机中探测到的新粒子。