[論文レビュー] Diquark Explanation of $b o s\ell^+\ell^-$

Andreas Crivellin, M. Kirk|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Sep 13, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 151被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、色荷を持つスカラー（ダイクォーク）が、木レベルで $(\bar{s}\gamma^\mu P_L b)(\bar{c}\gamma_\mu P_L c)$ 演算子に作用し、その後オフシェルフ光子・ペンギンにより $C_9$ コefficient に混合することで、$b\to s\ell^+\ell^-$ 異常を説明するダイクォーク媒介メカニズムを提案する。このモデルは、$R(K^{(*)})$ および $B_s\to\mu^+\mu^-$ のデータと整合するレプトン・フレーバー不変の $C_9 \approx -0.5$ を得ており、$\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合の制約を回避する。また、ダイクォーク質量は約 500 GeV と予測される。

ABSTRACT

The discrepancies between $b o s\ell^+\ell^-$ data and the corresponding Standard Model predictions point to the existence of new physics with a significance at the $5σ$ level. While previously a lepton flavour universality violating effect was preferred, the new $R(K^{(*)})$ and $B_s oμ^+μ^-$ measurements are now compatible with the Standard Model, favouring a lepton flavour universal beyond the Standard Model contribution to $C_9$. Since heavy new physics is generally chiral, and because of the stringent constraints from charged lepton flavour violation, this poses a challenge for model building. In this article, we point out a novel possibility: a diquark, i.e. a coloured scalar, induces the Wilson coefficient of the $(\bar s γ^μP_L b) (\bar c γ_μP_L c)$ operator at tree-level, which then mixes into $O_9$ via an off-shell photon penguin. This setup allows for a lepton flavour universal effect of $C_9\approx-0.5$, without violating bounds from $ΔM_s$, $ΔΓ$, $B o X_sγ$ and $D^0-\bar D^0$ mixing. This scenario predicts a small and negative $C_9^{\prime}$ and a light diquark, preferably with a mass around $500\,$GeV, as compatible with the CMS di-di-jet analysis, and a deficit in the inclusive $b o c\bar c s$ rate.

研究の動機と目的

• B 衰変における持続的な $b\to s\ell^+\ell^-$ 異常、特に $B\to K\mu^+\mu^-$ モードにおける $P_5'$ と分岐比の不一致を解消すること。この不一致は現在 4.7\sigma の有意水準に留まっている。
• 電荷レプトンのフレーバー違反（cLFV）による厳しい制約、特に $\mu\to e\gamma$ を回避するレプトン・フレーバー不変な新しい物理モデルを構築する挑戦に応えること。
• 色荷を持つスカラー（ダイクォーク）が木レベルで $\bar{c}c$ カレントに結合し、その後ペンギン混合により $C_9$ に至る、新しいメカニズムを探索すること。
• $C_9 \approx -0.5$ の $C_9$ 異常を説明できる、実用的で最小限のモデルを特定すること。このモデルは $B_s\to\mu^+\mu^-$、$\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$ の制約と両立可能であること。

提案手法

• 色荷を持つスカラー（ダイクォーク）が、木レベルで $(\bar{s}\gamma^\mu P_L b)(\bar{c}\gamma_\mu P_L c)$ 演算子に結合し、非一様な $C_9$-類似の寄与を生成する。
• ダイクォークが誘導する演算子が、オフシェルフ光子ペンギン図により $C_9$ ワイエルドン係数に混合され、レプトン・フレーバー不変の $C_9$ 寄与が実現される。
• 有効場理論の手法を用いてモデルを分析し、ダイクォークとクォークの結合を含む完全なUV理論から、ループ関数とマッチング条件を導出する。
• $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合、$\mu\to e\gamma$ からの制約は、既存の実験的制限と lattice QCD の入力を用いて評価される。
• モデルは、小さな負の $C_9' \approx -0.1$ と、約 500 GeV の軽いダイクォーク質量を予測し、CMS の二ジェット共鳴状態探索と整合する。
• $B_s$ の寿命比と半レプトン的非対称性 $a_{\text{sl}}^s$ は、整合性を検証するために評価されたが、現在の精度ではモデルと標準模型の区別がつかない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイクォーク媒介メカニズムは、cLFV 制約を破らずに、$b\to s\ell^+\ell^-$ 衰変にレプトン・フレーバー不変の $C_9$ 寄与を生成できるか？
• RQ2 木レベルの $\bar{c}c$ カレントへの結合が、どのようにペンギン混合により $C_9$-類似効果を生じるのか？ また、その結果としてダイクォーク質量と結合定数に課される制約は何か？
• RQ3 このモデルは、現在の $R(K^{(*)})$ および $B_s\to\mu^+\mu^-$ 測定と整合するか？ これらは現在、レプトン・フレーバー不変性を支持している。
• RQ4 $\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合に対するモデルの影響は何か？ そして、これらの厳しい制約を回避できるか？
• RQ5 このモデルは、二ジェット共鳴状態探索で検出可能な信号を予測するか？ また、ダイクォーク質量は CMS の二ジェット解析と整合するか？

主な発見

• モデルは、現在のグローバルフィットにおいて $b\to s\ell^+\ell^-$ 異常の主な説明となる、レプトン・フレーバー不変の $C_9 \approx -0.5$ を成功裏に生成する。
• ダイクォークが誘導する演算子が、オフシェルフ光子ペンギンにより $C_9$ に混合され、木レベルの $\bar{c}c$ 結合を保ちつつ、レプトン・フレーバー不変性を実現する。
• モデルは、小さな負の $C_9' \approx -0.1$ を予測し、現在の実験的制限と整合しており、新たな不一致を引き起こさない。
• 質量が約 500 GeV の軽いダイクォークが好まられ、これは CMS の二ジェット共鳴状態探索と整合する。この探索では顕著な信号は観測されていないが、このような状態を許容する。
• ダイクォーク結合の特定の構造と、大きな GIM キャンセレーションの欠如により、$\Delta M_s$、$\Delta\Gamma$、$B\to X_s\gamma$、$D^0$-$\bar{D}^0$ 混合の制約を回避する。
• $B_s$ の寿命比と半レプトン的非対称性 $a_{\text{sl}}^s$ は標準模型からずれる予測がされるが、現在の実験的精度ではモデルと標準模型の区別がつかない。