[论文解读] TeV-scale vector leptoquark from Pati-Salam unification with vectorlike families

Syuhei Iguro, Junichiro Kawamura+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 110被引用 27

一句话总结

该论文提出了一种带有矢量型家族的Pati-Salam大统一理论，实现了TeV尺度的矢量轻子偶素，通过矢量型费米子混合避免了来自KL→μe衰变的严格味物理约束。该模型仅需0.2%的微调即可解释LHCb实验中观测到的b→sμμ异常，通过额外的希格斯双重态预测了显著的中性介子混合，并可在未来的μ→eγ和μ-e转换实验中被检验。

ABSTRACT

In this paper, we show an explicit way to realize a TeV-scale vector leptoquark from the Pati-Salam (PS) unification with extra vectorlike families. The leptoquark mass is constrained to be heavier than PeV-scale by the measurement of a flavor violating kaon decay, $K_L o \mu e$, in conventional models. This strong constraint can be avoided by introducing vectorlike families consistently with the quark and lepton masses and CKM and PMNS matrices. The other flavor violating processes are also suppressed. In this model, the vector leptoquark can be sufficiently light to explain the recent $b o s\mu\mu$ anomaly, while the $b o c au u$ anomaly is difficult to be explained due to the strong constraints from the $Z^\prime$ boson and vectorlike quark searches at the LHC. When the $b o s\mu\mu$ anomaly is explained, we show that $\mathcal{O}({0.2})$ % tuning is required in the fermion matrix, the future experiments in $\mu o e\gamma$ and $\mu$-$e$ conversions will cover the most available parameter space, and sizable neutral meson mixings, induced by the extra Higgs doublets, are unavoidable.

研究动机与目标

• 构建一个包含矢量型费米子的Pati-Salam GUT模型，以稳定TeV尺度的矢量轻子偶素。
• 解决KL→μe衰变带来的强约束，该约束通常会排除传统模型中的TeV尺度轻子偶素。
• 在与其它味物理和电弱约束一致的前提下，解释LHCb数据中观测到的b→sμμ异常。
• 评估在同一框架下解释b→cτν异常的可行性。
• 预测可观测信号，如增强的μ→eγ和μ-e转换速率，以及显著的中性介子混合。

提出的方法

• 通过引入矢量型家族，一致地生成费米子质量与混合，与CKM和PMNS矩阵相容。
• 利用跑动重正化群和高维算符，实现在高能标下的 Yukawa 耦合统一。
• 引入额外的希格斯双重态以生成中微子质量，并诱导显著的中性介子混合。
• 构建Pati-Salam规范群SU(4)C×SU(2)L×SU(2)R，并通过自发对称性自发破缺至SM规范群。
• 采用包含复相位的费米子质量矩阵参数化，以抑制味改变过程。
• 通过ΔFT参数进行微调分析，量化对输入参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含矢量型家族的Pati-Salam GUT中，能否在不触发强味物理约束的前提下，一致地实现TeV尺度的矢量轻子偶素？
• RQ2 鉴于KL→μe衰变具有严格的实验限制，如何在轻子偶素较轻的模型中抑制其衰变率？
• RQ3 该模型中的矢量轻子偶素在多大程度上可以解释b→sμμ异常？所需的微调程度如何？
• RQ4 在Z′玻色子和矢量型夸克搜索的约束下，该框架是否也能解释b→cτν异常？
• RQ5 μ→eγ和μ-e转换中的预测信号是什么？它们如何探测该模型的参数空间？

主要发现

• 该模型实现了TeV尺度的矢量轻子偶素，仅需费米子质量矩阵中约0.2%的微调即可解释b→sμμ异常。
• 由于矢量型费米子混合诱导的抵消效应，KL→μe衰变率被抑制至实验上限以下。
• 由于LHC对Z′玻色子和矢量型夸克的强约束，b→cτν异常难以在该框架中得到解释。
• 未来的实验（如μ→eγ和μ-e转换）将覆盖该模型可行参数空间的大部分区域。
• 由于额外希格斯双重态的贡献，显著的中性介子混合（|CBd| ≈ 0.94，|CBs| ≈ 1.03）不可避免。
• 基准点满足所有当前实验约束，包括BR(B→ℓν)、BR(KL→eμ)和BR(μ→eγ)，且ΔFT ≈ 0.1%。