[論文レビュー] Beyond the Standard Model with Lepton Flavor Universality Violation

Andreas Crivellin, Joaquim Matias|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超えた新しい物理におけるレプトンフレーバー則不変性（LFUV）を介して、B中間子崩壊の複数の異常、ミュオンの異常磁気モーメント、およびその他のフレーバー違反過程を統一的に説明する。実験的兆候が多岐にわたり、$ R(K^{(*)}) $ と $ R(D^{(*)}) $ から $ a_\mu $ および電子対共鳴まで、これらはすべて、ミュオン、電子、タウレプトンに対して非一様なカップリングを持つ単一の新しい物理（NP）セクターによって一貫して説明可能であり、将来の衝突型加速器実験の探査に対する根拠を著しく強化する。

ABSTRACT

In recent years, exciting (indirect) hints for physics beyond the Standard Model (SM) have been accumulated. In particular, semi-leptonic $B$ decays show deviations from the SM predictions, which, due to the ratios $R(K^{(*)})$ and $R(D^{(*)})$ are obviously related to lepton flavour universality violation (LFUV). However, {we point out} there are more anomalies which admit an interpretation in terms of LFUV: The anomalous magnetic moment of the muon, the Cabibbo angle anomaly, the CMS measurements of non-resonant di-electrons, the difference of the forward-backward asymmetry in $B o D^*\ellν$ and leptonic tau decays. In this letter we discuss the experimental and theoretical status of these anomalies, {compare their strength and weaknesses} and examine {and synthesize} how they can be explained in terms of possible extensions of the SM by new particles and interactions. Even though not all anomalies might be confirmed in the future, this unified view of the anomalies in terms of LFUV significantly strengthens their relevance, which is crucial in order to construct a convincing physics case for future colliders.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた物理（BSM）を示唆する、フレーバー物理学における複数の実験的異常を特定し、分析すること。
• これらの異常—$ R(K^{(*)}) $ と $ R(D^{(*)}) $ から $ a_\mu $ および電子対共鳴に至るまで—が、すべてレプトンフレーバー則不変性の破れ（LFUV）として一貫して解釈可能であることを示すこと。
• これらの異常を、電荷を帯びたレプトンに対して非一様なカップリングを持つ統一されたBSMフレームワークに統合し、新しい物理の理論的および実験的動機付けを高めること。
• LFUVに起因する共通の起源が、異常をより強く支持することを示し、将来の加速器実験の物理的根拠を強化すること。
• LFUVモデルの文脈において、各異常における強さと理論的頑健性を比較すること。

提案手法

• LHCb、Belle、BaBar、CMSの実験データを分析し、半レプトン的 $ B \to K^{(*)} \ell^+\ell^- $、$ B \to D^{(*)} \tau \nu $、$ B_s \to \mu^+\mu^- $ 崩壊から $ R(K^{(*)}) $ および $ R(D^{(*)}) $ の比を抽出する。
• 異常磁気モーメント $ a_\mu $ とCabibbo角異常（CAA）を、LFUVに感受する追加の観測量として評価する。
• $ q\bar{q} \to e^+e^- $ における非共鳴的電子対生成および $ B \to D^* \ell \nu $ における前後方向非対称性の差 $ \Delta A_{\rm FB} $ を、さらにLFUVの指標として検討する。
• 複数の観測量のグローバルフィットを実施し、SM予測に対して20%の破壊的干渉を示すNPモデルが7σ以上で優位であることを示す。
• 新しいベクトル、スカラー、またはベクトル型フェルミオンの媒介子を含む有効場理論モデルを構築し、非一様なカップリングを通じてLFUVを誘導する。
• 理論的ツールとして、形式因子に依存しない比（例：$ Q_5 = P_5'^\mu - P_5'^e $）および高精度なQCD補正を用い、$ b \to s\ell^+\ell^- $ 崩壊における理論的不確実性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された $ R(K^{(*)}) $、$ R(D^{(*)}) $、$ a_\mu $、および $ \Delta A_{\rm FB} $ のずれが、単一の新しい物理機構によって一貫して説明可能か。
• RQ2 $ b \to s\ell^+\ell^- $、$ b \to c\tau\nu $、および $ a_\mu $ の異常は、どれほど共通の起源としてのレプトンフレーバー則不変性の破れ（LFUV）を示唆するか。
• RQ3 LFUVに感受する異なる観測量の強さと理論的頑健性は、新しい物理モデルの制約においてどのように比較されるか。
• RQ4 複数の異常を同時にLFUVを通じて説明できる最小限のBSM拡張（例：新しいゲージボソン、スカラー媒介子）は何か。
• RQ5 複数のLFUV感受性観測量のグローバルフィットは、標準模型に対して新しい物理の統計的有意水準にどのように影響を与えるか。

主な発見

• $ R(K^{(*)}) $ および $ R(D^{(*)}) $ の異常は、それぞれ約3σの有意水準であり、ミュオンモードを電子モードよりも強化する共通のNP寄与によって一貫して説明可能である。
• ミュオンの異常磁気モーメント $ a_\mu $ は、SMと比較して4.2σのずれを示しており、ミュオンに特異なカップリングを持つ $ Z' $ ゲージボソンまたはスカラー媒介子によってLFUVを通じて説明可能である。
• Cabibbo角異常（CAA）および $ q\bar{q} \to e^+e^- $ における非共鳴的電子対信号も、LFUVと整合しており、共通のNPセクターを示唆する。
• $ B \to D^* \ell \nu $ における前後方向非対称性の差 $ \Delta A_{\rm FB} $ は、LFUVに感受し、$ R(D^{(*)}) $ および $ R(K^{(*)}) $ の異常と整合していることが判明した。
• すべてのLFUV感受性観測量のグローバルフィットは、SMに対して20%の破壊的干渉を示すNPシナリオを7σ以上で支持する。
• これらの異常をLFUVの下で統一することで、非一様なレプトンカップリングを持つ共通のBSMセクターを将来の加速器が探査する根拠が著しく強化される。