⚛️ phenomenology

Charged lepton flavor violating decays and $(g-2)_{e_a}$ in an extended standard model with singlet and triplet leptoquarks

Este artículo investiga un Modelo Estándar extendido con leptoquarks escalares singlete y triplete, revelando que si bien el modelo predice correlaciones significativas entre los momentos magnéticos anómalos de los leptones cargados y las desintegraciones que violan el sabor, no puede acomodar simultáneamente las discrepancias observadas en los momentos magnéticos del electrón y del muón mientras satisface las restricciones experimentales actuales.

Autores originales: L. T. Hue, N. V. Hop, Vo Quoc Phong, N. H. T. Nha

Publicado 2026-09-21

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CC0 1.0

Autores originales: L. T. Hue, N. V. Hop, Vo Quoc Phong, N. H. T. Nha

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El universo opera bajo un conjunto de reglas fundamentales que gobiernan cómo interactúan las partículas diminutas, un marco que los físicos llaman el Modelo Estándar. Dentro de este modelo, las partículas conocidas como leptones, que incluyen al electrón y a sus primos más pesados, el muón y el tau, se espera que se comporten de maneras muy específicas. Una de las pruebas más precisas de estas reglas implica medir cómo responden estas partículas a los campos magnéticos, una propiedad conocida como su momento magnético. Durante décadas, los científicos han comparado los valores predichos de estos momentos frente a las mediciones experimentales. Cuando ambos no coinciden, esto señala que algo falta en nuestra comprensión, quizás un nuevo tipo de partícula o fuerza que aún no ha sido descubierto. Al mismo tiempo, el Modelo Estándar predice que diferentes tipos de leptones no deberían transformarse fácilmente unos en otros. Si una partícula tau pesada se desintegrara espontáneamente en un muón o electrón más ligero, sería una señal clara de nueva física, ya que tales eventos son increíblemente raros o están prohibidos en la teoría actual.

Un equipo de investigadores ha investigado una propuesta específica para explicar estas discrepancias mediante la introducción de dos nuevos tipos de partículas llamadas leptoquarks. Estas partículas hipotéticas actúan como puentes, conectando el mundo de los quarks, que componen protones y neutrones, con el mundo de los leptones. Los investigadores se centraron en un escenario donde existen dos leptoquarks distintos: uno que es un singlete y otro que es un triplete, refiriéndose a cómo se organizan bajo las reglas de la simetría de partículas. Al construir un modelo matemático que incluye estas dos partículas, el equipo exploró cómo influirían en los momentos magnéticos de los leptones cargados y si permitirían las transformaciones prohibidas entre diferentes tipos de leptones. Su trabajo consistió en calcular las complejas interacciones que ocurrirían a nivel cuántico, específicamente observando cómo estas nuevas partículas circularían en bucles durante las desintegraciones de partículas e interacciones magnéticas.

El estudio revela una tensión significativa dentro de este modelo propuesto. Los investigadores encontraron que las mismas interacciones que podrían explicar las diferencias observadas en los momentos magnéticos de electrones y muones también impulsan las tasas a las que los leptones cambian de sabor. Sin embargo, el modelo no puede acomodar grandes desviaciones para ambos simultáneamente. Si el modelo se ajusta para producir un efecto grande para el muón, que es actualmente un punto de interés en la física experimental, la tasa predicha para que el momento magnético del electrón cambie se vuelve demasiado pequeña para coinccer con las pistas experimentales actuales. Por el contrario, si el modelo se ajusta para adaptarse al momento magnético del electrón, el efecto sobre el muón se vuelve insignificante. Esto sugiere que un marco único que contenga solo estos dos leptoquarks es probablemente insuficiente para explicar las anomalías observadas en ambas partículas al mismo tiempo.

Además, los investigadores examinaron las consecuencias de estas interacciones para la desintegración de leptones pesados en otros más ligeros, como una partícula tau convirtiéndose en un electrón o un muón. Descubrieron que si el modelo se establece para explicar la anomalía del momento magnético del muón, las tasas para estas desintegraciones de cambio de sabor están fuertemente suprimidas. Específicamente, la probabilidad de que un tau se desintegre en un electrón a través de un fotón sería extremadamente baja, muy por debajo de la sensibilidad de los experimentos actuales y cercanos al futuro. Del mismo modo, la desintegración del bosón de Higgs o del bosón Z en pares de diferentes leptones también estaría suprimida a niveles difíciles de detectar. Por otro lado, si el modelo se ajusta para adaptarse al momento magnético del electrón, las tasas de desintegración que involucran al tau y al muón son similarmente suprimidas, permaneciendo muy por debajo de lo que los detectores actuales pueden observar.

El análisis indica que, si bien este modelo extendido ofrece una estructura rica para las interacciones de partículas, enfrenta limitaciones estrictas al compararse con los datos del mundo real. Los investigadores concluyeron que el modelo no puede satisfacer simultáneamente los requisitos para explicar las anomalías de los momentos magnéticos tanto del electrón como del muón, respetando al mismo tiempo los estrictos límites experimentales sobre la frecuencia con la que los leptones cambian de sabor. El estudio sugiere que si existe nueva física para explicar el comportamiento del muón, probablemente involucra mecanismos más complejos que la simple adición de estos dos leptoquarks específicos, o debe manifestarse de formas que no produzcan los grandes efectos vistos en el sector del electrón. El trabajo proporciona un límite claro para futuras teorías, mostrando que cualquier explicación exitosa debe navegar el delicado equilibrio entre los momentos magnéticos y las desintegraciones de cambio de sabor sin violar las estrictas restricciones impuestas por los experimentos existentes.

Resumen Técnico: Decaimientos de Violación de Sabor de Leptones Cargados y $(g - 2)$ en un Modelo Estándar Extendido con Leptoquarks Singlete y Triplete

Planteamiento del Problema
El artículo aborda la interconexión fenomenológica entre los momentos magnéticos anómalos (AMMs) de los leptones cargados ( $a_e, a_\mu$ ) y los procesos de violación de sabor de leptones cargados (cLFV) dentro de una extensión específica del Modelo Estándar (SM). Mientras que los leptoquarks (LQs) escalares han sido estudiados individualmente por su capacidad para explicar anomalías como la discrepancia del $(g-2)$ del muón o las anomalías $R_{K^{(*)}}$ y $R_{D^{(*)}}$ , este trabajo investiga un marco combinado que contiene tanto un leptoquark escalar singlete ( $S$ ) como un triplete ( $T$ ) de $SU(2)_L$ . La motivación principal es determinar si este modelo "LQST" puede acomodar simultáneamente las desviaciones observadas en los AMMs de electrón y muón mientras satisface las estrictas restricciones experimentales sobre los decaimientos cLFV (por ejemplo, $\mu \to e\gamma$ , $\tau \to \mu\gamma$ ) y los decaimientos de los bosones Higgs ( $h$ ) y $Z$ que violan el sabor.

Metodología
Los autores construyen un modelo renormalizable añadiendo los leptoquarks singlete $S$ y triplete $T$ al contenido de partículas del SM, sujeto a una simetría discreta $Z_2$ para restringir los acoplamientos de sabor y simplificar el espacio de parámetros.

Estructura del Modelo: Los leptoquarks son antitripletes de $SU(3)_C$ . El triplete $T$ está representado como una matriz de $2\times2$ . La interacción de Yukawa del Lagrangiano acopla estos LQs a los fermiones del SM, específicamente reteniendo los acoplamientos con el quark top debido a su potencial para las mejoras de cambio de quiralidad.
Derivación Analítica: Los autores derivan expresiones analíticas generales para las contribuciones de un bucle para:
- Los AMMs de leptones cargados ( $a_e, a_\mu$ ).
- Los decaimientos radiativos cLFV ( $e_b \to e_a \gamma$ ).
- Los decaimientos de Higgs que violan el sabor ( $h \to e_b e_a$ ).
- Los decaimientos de bosones $Z$ que violan el sabor ( $Z \to e_b^\pm e_a^\mp$ ).
  Estos cálculos implican la identificación de los autoestados de masa físicos, los parámetros de mezcla y la evaluación de diagramos de Feynman de un bucle que involucran el intercambio de LQs y quarks del SM (primordialmente quarks de tipo up para la mezcla singlete/triplete y de tipo down para el triplete). Los resultados se expresan en términos de funciones de Passarino-Veltman.
Análisis Numérico: Se realiza un escaneo numérico exhaustivo sobre el espacio de parámetros del modelo. El escaneo asume masas de leptoquark entre 2 TeV y 8 TeV (satisfaciendo los límites inferiores actuales del LHC de $\sim 1.8$ TeV) y varía los acoplamientos de Yukawa dentro de los límites perturbativos. El análisis se centra en regiones donde al menos una desviación de AMM es significativa ( $|\Delta a_e| > 10^{-16}$ o $|\Delta a_\mu| > 10^{-14}$ ) y verifica la consistencia con los límites superiores actuales de las razones de ramificación (branching ratios) de cLFV.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio revela correlaciones significativas entre los AMMs y las tasas de varios procesos LFV, impulsadas principalmente por los acoplamientos de Yukawa compartidos y las contribuciones de cambio de quiralidad que involucran al quark top.

Exclusividad Mutua de Grandes AMMs: Un hallazgo central es que el modelo LQST no puede acomodar simultáneamente valores considerables para las desviaciones de los AMM del electrón y del muón. Específicamente, el modelo no puede satisfacer $|\Delta a_e| \sim \mathcal{O}(10^{-13})$ y $|\Delta a_\mu| \sim \mathcal{O}(10^{-10})$ simultáneamente sin violar los límites experimentales en los decaimientos cLFV.
Escenario 1: Enfoque en el AMM del Muón: Para un escenario donde $|\Delta a_\mu| \sim \mathcal{O}(10^{-10})$ $∣Δ a_{μ} ∣ \sim O (1 0^{- 10})$ y la razón de ramificación $Br(\mu \to e\gamma) > 10^{-15}$ $B r (μ \to e γ) > 1 0^{- 15}$ , el modelo predice tasas suprimidas para otros procesos:
- $Br(\tau \to e\gamma) < \mathcal{O}(10^{-12})$
- $Br(h \to \tau e) < \mathcal{O}(10^{-6})$
- Otros decaimientos (por ejemplo, $\tau \to \mu\gamma$ , $h \to \tau\mu$ ) pueden alcanzar la sensibilidad de experimentos futuros.
Escenario 2: Enfoque en el AMM del Electrón: Inversamente, si el modelo se ajusta para explicar una mayor desviación del AMM del electrón ( $|\Delta a_e| \sim \mathcal{O}(10^{-13})$ $∣Δ a_{e} ∣ \sim O (1 0^{- 13})$ ), las tasas predichas para los decaimientos de tau están suprimidas:
- $Br(\tau \to \mu\gamma) < \mathcal{O}(10^{-11})$
- $Br(h \to \tau\mu) < \mathcal{O}(10^{-7})$
Correlaciones: Las razones de ramificación para decaimientos radiativos ( $Br(e_b \to e_a \gamma)$ ) y decaimientos de Higgs ( $Br(h \to e_b e_a)$ ) exhiben fuertes correlaciones, lo que permite verificaciones cruzadas del espacio de parámetros del modelo.

Significancia
El artículo afirma que la presencia simultánea de un leptoquark singlete y un triplete introduce nuevas estructuras en las amplitudes de un bucle que conducen a distintas correlaciones entre observables, las cuales están ausentes en modelos con una sola representación de LQ. El trabajo demuestra que, si bien el marco LQST ofrece un mecanismo para abordar anomalías específicas (como el $(g-2)$ del muón), impone restricciones estrictas en el sector del electrón y viceversa. La incapacidad de explicar simultáneamente grandes desviaciones tanto en $a_e$ como en $a_\mu$ sirve como una prueba fenomenológica crítica para este marco específico de dos LQs. El análisis proporciona un mapeo detallado del espacio de parámetros viable, resaltando qué procesos LFV son más probables de ser observados en experimentos futuros si el modelo explica la anomalía del muón, permaneciendo consistente con los límites actuales.

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