[論文レビュー] Constraints on Lepton Universality Violation from Rare $B$ Decays

M. Ciuchini, Marco Fedele+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、更新されたLHCbおよびCMSデータを用いて、$b \to s\ell^+\ell^-$遷移におけるレプトン普遍性の破れを注目し、ニューサイエンスのグローバルベイジアン解析を実施している。はくばんの強い相互作用効果を含めた場合、データは標準模型と整合的であり、レプトン普遍性の破れに対する厳しい制約が得られ、現在のデータセットではニューサイエンスの顕著な証拠は見つかっていない。

ABSTRACT

The LHCb collaboration has very recently released a new study of $B^+ o K^{+} \ell^+ \ell^-$ and $B o K^{*0} \ell^+ \ell^-$ ($\ell = e,μ$) decays, testing lepton universality with unprecedented accuracy using the whole Run 1 and 2 dataset. In addition, the CMS collaboration has recently reported an improved analysis of the branching ratios $B_{(d,s)} oμ^+μ^-$. While these measurements offer, per se, a powerful probe of New Physics, global analyses of $b o s \ell^+ \ell^-$ transitions also rely on the assumptions about nonperturbative contributions to the decay matrix elements. In this work, we perform a global Bayesian analysis of New Physics in (semi)leptonic rare $B$ decays, paying attention to the role of charming penguins which are difficult to evaluate from first principles. We find data to be consistent with the Standard Model once rescattering from intermediate hadronic states is included. Consequently, we derive stringent bounds on lepton universality violation in $|ΔB | = | ΔS| = 1$ (semi)leptonic processes.

研究の動機と目的

• R_K、R_{K^*}、およびB_{(d,s)}\to\mu^+\mu^-分岐比に関する新しいLHCbおよびCMSデータを踏まえ、$b \to s\ell^+\ell^-$遷移におけるニューサイエンス効果を再評価すること。
• B\to K^{(*)}\ell^+\ell^-崩壊における、チャーミング・ペンギンおよびはくばんの強い相互作用効果の役割を評価すること。これらは第一原理から計算することが困難である。
• SMEFTフレームワーク内でのグローバルフィットを用いて、|\Delta B|=|\Delta S|=1の半レプトン崩壊過程におけるレプトン普遍性の破れに関するモデルに依存しない制約を導出すること。
• 非摂動的はくばんの寄与を推定するデータ駆動型とモデル依存型のアプローチを比較すること、特に$\Delta C_{9,3}$および$\Delta C_9$に注目する。

提案手法

• LHCbおよびCMSのRun 1および2の全データセットを用いたグローバルベイジアン解析を実施し、R_K、R_{K^*}、およびB_{(d,s)}\to\mu^+\mu^-分岐比を統合した。
• はくばんの強い相互作用効果は、B\to K^{(*)}\ell^+\ell^-振幅のデータ駆動型パラメータ化により取り入れられ、複素パラメータh_{B\to K}^{(1)}およびh_{B\to K}^{(2)}を用いた。
• チャーミング・ペンギンからの非摂動的寄与は、データ駆動型フィットとQCDFおよびライトコーン和則からの理論的推定値の両方を用いてモデル化した。
• 標準模型効果的場理論（SMEFT）フレームワークを用いて、ニューサイエンス寄与をウィルソン係数C_9^{\rm NP}、C_{10}^{\rm NP}、およびC_9^{\rm NP,3}でパラメータ化した。
• バイアスを避けるために、はくばんパラメータに階層的事前分布を適用し、範囲を十分に広げてフィット結果に影響を与えないように選んだ。
• マーカフ連鎖モンテカルロ法を用いて事後分布を計算し、主要なはくばんおよびニューサイエンス寄与の68%最高事後密度区間（HPDI）を報告した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新されたLHCbおよびCMSデータを含めた場合、希少なB崩壊におけるレプトン普遍性の破れの証拠はあるか？
• RQ2 特に中間のはくばん状態からのはくばんの強い相互作用効果は、標準模型と実験データの整合性をどの程度回復させるか？
• RQ3 データ駆動型とモデル依存型のアプローチは、$\Delta C_{9,3}$のような非摂動的寄与を推定する上で、どのように比較されるか？
• RQ4 特にR_KおよびR_{K^*}において、b\to s\ell^+\ell^-遷移へのニューサイエンス寄与に対する最も厳しい制約は何か？
• RQ5 一様なニューサイエンス寄与が観測されたR_KおよびR_{K^*}の異常を説明できるか、それとも更新されたデータによってその可能性は低下しているか？

主な発見

• はくばんの強い相互作用効果を含めた場合、更新されたLHCbおよびCMSデータは標準模型と非常に良好に一致しており、以前のレプトン普遍性の破れの兆候の有意性が低下した。
• データ駆動型アプローチにより、B\to K^*崩壊における|\Delta C_{9,3}(q^2)|の68% HPDIは、q^2=6.0 GeV$^2$で[1.85, 3.27]、q^2=8.0 GeV$^2$で[1.02, 2.90]の範囲に収まり、QCDFの推定値よりも顕著に大きいことが判明した。
• B\to K崩壊において、データ駆動型の|\Delta C_9(q^2)|はq^2=8.0 GeV$^2$で[2.80, 6.33]に制約され、一方QCDFは[0.18, 0.28]しか予測しなかったため、大きな非摂動的効果が示された。
• グローバルフィットの結果、R_KおよびR_{K^*}の測定値は標準模型の予測と整合的であり、R_{K_{[1.1,6]}} = 0.949^{+0.042}_{-0.041}およびR_{{K^{*}}_{[1.1,6]}} = 1.027^{+0.072}_{-0.068}となった。
• はくばんの強い相互作用効果を組み込むことで、R_Kの異常はニューサイエンスを必要とせず、レプトン普遍性の破れを示す新しい物理モデルの必要性が低下した。
• レプトン普遍性の破れに対するきびしい上限が得られ、q^2=6.0 GeV$^2$において|\Delta C_{9,3}(q^2)| < 3.3に制約された。これは多くの既存のNPモデルに挑戦する結果となった。