[論文レビュー] Exploring $R_D$, $R_{D^{\ast}}$ and $R_{J/Ψ}$ anomalies

Rupak Dutta|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、$\mu = m_b$ におけるモデルに依存しない有効場理論フレームワークを用いて、$b \to c\tau\nu$ 衰えにおける $R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ 異常を調査する。特に $\widetilde{V}_L$、$\widetilde{V}_R$、$\widetilde{T}_L$、$T_L$ コアピングを含む複数の新しい物理のシナリオが、実験データの1$\sigma$以内で3つの異常を同時に説明可能であり、今後の検証のための $\tau$ スピン極化率も予測している。

ABSTRACT

Deviations from the standard model predictions have been reported in various observables concerned with the lepton flavor universality. At present, the deviation of the measured values of $R_D$ and $R_{D^{\ast}}$ from the standard model expectation is exceeded by $2.3σ$ and $3.4σ$, respectively. Very recently LHCb has measured the ratio of branching ratio $R_{J/Ψ} = \mathcal B(B_c o J/Ψτν)/\mathcal B(B_c o J/Ψ\,l\,ν)$, where $l \in (e,\,μ)$, to be $0.71\pm0.17\pm 0.18$ which is at more than $2σ$ away from the standard model prediction. We investigate the anomalies in $R_D$, $R_{D^{\ast}}$, and $R_{J/Ψ}$ using a model independent framework with minimal number of new physics couplings. We find various new physics models that can explain these anomalies within $1σ$.

研究の動機と目的

• モデルに依存しない有効場理論フレームワークを用いて、$R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ における持続的な軽子フラバー普遍性の破れを調査すること。
• 実験的不確実性の範囲内で、観測された $R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ のずれを同時に説明できる最小限の新しい物理のカップリングの集合を同定すること。
• $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu)$ からの間接的制約を用いて、$B_c$ メソンの寿命測定と整合性を持つように、妥当な新しい物理モデルを制限すること。
• 今後の実験的検証のため、$B \to D^*\tau\nu$、$B_c \to J/\Psi\tau\nu$、$B \to D\tau\nu$ 衰えにおける $\tau$ スピン極化率 $P_\tau$ を、さまざまな新しい物理シナリオのもとで予測すること。

提案手法

• すべての可能なベクトル、スカラー、テンソルカップリング（左・右ヘンジング・カレントを含む）を含む、$\mu = m_b$ における $b \to c\ell\nu$ 遷移の一般性のある有効ラグランジアンを構築する。
• 有効ラグランジアンを用いて、$B$ および $B_c$ 衰えからのフォーム因子と運動学的制約を組み込み、$R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ の分岐比を評価する。
• 55個の異なる新しい物理シナリオ（単一および二重オペレーターの組み合わせ）について $\chi^2$ 最小化を実施し、$R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ の最良の適合パラメータを特定する。
• $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu) \leq 10\%$ からの間接的制約を適用し、$B_c$ 衰え幅へのNP寄与が過剰なシナリオを除外する。
• 各妥当なNPシナリオのもとで、$B \to D^*\tau\nu$、$B_c \to J/\Psi\tau\nu$、$B \to D\tau\nu$ の $\tau$ スピン極化率 $P_\tau$ を計算し、今後の測定を支援する。
• $95\%$信頼水準における許容パラメータ空間を $(V_R, \widetilde{T}_L)$、$(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$、$(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$ で可視化し、予測値を実験的 $1\sigma$ 範囲と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの新しい物理カップリングの組み合わせが、実験的測定値の1$\sigma$以内で $R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ 異常を同時に説明できるか？
• RQ2 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu)$ からの間接的制約は、妥当な新しい物理パラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ3 最良の適合新しい物理シナリオにおける $B \to D^*\tau\nu$、$B_c \to J/\Psi\tau\nu$、$B \to D\tau\nu$ の $\tau$ スピン極化率 $P_\tau$ の予測値は何か？
• RQ4 新しい物理パラメータ空間（例：$\widetilde{V}_L$、$\widetilde{T}_L$）における許容領域は、$95\%$信頼水準で測定された $R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ の値とどの程度相関するか？

主な発見

• $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$ および $(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$ シナリオが、$R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ に対して最良の適合を示し、それぞれ $\chi^2_{\rm min} \approx 0.11$ および $0.13 \times 10^{-1}$ であり、すべての観測量が実験データの1$\sigma$以内にある。
• $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$ シナリオでは $R_D = 0.405$、$R_{D^*} = 0.306$、$R_{J/\Psi} = 0.635$、$P_\tau^{D^*} = -0.427$ が得られ、いずれも測定値の1$\sigma$以内にある。
• $(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$ シナリオでは $R_{J/\Psi} = 0.686$ が予測され、LHCbの測定値 $0.71 \pm 0.18$ と整合的であり、$P_\tau^{D^*} = -0.446$ は今後の実験で検証可能である。
• $\chi^2$ 最小化された $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$ シナリオでは $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu) = 0.26 \times 10^{-1}$ となり、$B_c$ の寿命制約による $10\%$ の上限を大幅に下回っている。
• $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$、$(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$、$(V_R, \widetilde{T}_L)$ における許容パラメータ空間は、$95\%$信頼水準で $R_D$、$R_{D^*}$、$R_{J/\Psi}$ の実験的 $1\sigma$ 範囲と完全に重複している。
• 本研究は、今後の $P_\tau^{D^*}$、$P_\tau^D$、$P_\tau^{J/\Psi}$ の高精度測定が、競合する新しい物理モデルを区別するために不可欠であると予測している。