[論文レビュー] Investigating the role of new physics in $b \ o c \ au \\bar \ u_\ au$ transitions

S. Sahoo, Rukmani Mohanta|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 遷移のモデル独立的解析を、最も一般な有効ラグランジュアンを用いて実施し、半レプトン的 $B$ および $B_s$ 衰えにおける新しい物理（NP）を探る。$R_{D^{(*)}}$、$R_{J/\psi}$、および $B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau$ 分岐率データに対するグローバル $\chi^2$ フィットを実施し、スカラーおよびテンソル型カップリング—特に $S_R$ および $T$—が、4つの $q^2$ バインにわたる角度観測量およびレプトン非ユニバーサル比に顕著な影響を与えることが判明。複素 $S_R$ および $T$ が、最も感受性の高い新しい物理の探査手段である。

ABSTRACT

In recent times, the charged-current mediated semileptonic $b \ o c \ au \\bar \ u_\ au$ processes have attracted a lot of attention after the observation of lepton non-universality ratios, $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\\psi}$ and the measurements on $D^*$ and $\ au$ longitudinal polarization fractions in $\\bar B\ o D^* \ au \\bar \ u_\ au$ processes. We present a model-independent analysis of $ \\bar B\ o D^{(*)} \ au \\bar \ u_\ au$, $ B_s\ o D_s^{(*)} \ au \\bar \ u_\ au$, $ B_c^+ \ o (\\eta_c, J/\\psi) \ au^+ \ u_\ au$, $\\Lambda_b \ o \\Lambda_c \ au \\bar \ u_\ au$ and $\\bar B \ o D^{**} \ au \\bar \ u_\ au$ (where $D^{**} = \\{D^*_0, D_1^*, D_1, D_2^*\\}$ are the four lightest excited charm mesons) processes involving $b \ o c \ au \\bar \ u$ quark level transitions by considering the most general effective Lagrangian in the presence of new physics. We perform a global fit to various set of new coefficients, including the measurements on $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\\psi}$ and the upper limit on Br($B_c^+ \ o \ au^+ \\bar \ u_\ au$). We then show the implications of constrained new couplings on the branching fractions, lepton non-universality ratios and various angular observables of these decay modes in four different bins of $q^2$.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えた $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 遷移における新しい物理の役割を調査すること。
• すべてのベクトル、スカラー、テンソル相互作用を含む、最も一般な有効ラグランジュアンを用いたモデル独立的解析を実施すること。
• $R_{D^{(*)}}$、$R_{J/\psi}$、および $B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau$ 分岐率の実験的データに対するグローバル $\chi^2$ フィットを通じて、新しい物理カップリングを制約すること。
• $q^2$ の4つのバインにわたる、分岐率、レプトン非ユニバーサル比、角度観測量に対する新しいウィルソン係数の感度を調査すること。
• $\bar{B} \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$、$B_s \to D_s^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$、$B_c^+ \to \eta_c, J/\psi\,\tau^+\nu_\tau$、$\Lambda_b \to \Lambda_c\tau\bar{\nu}_\tau$、および $\bar{B} \to D^{**}\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰えにおいて、どの新しい物理オペレーター（実数または複素数）が観測量に最も顕著に影響を与えるかを同定すること。

提案手法

• すべての可能なベクトル、スカラー、テンソルカレント相互作用を含む一般化された有効ラグランジュアンを構築し、$b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 遷移を記述すること。
• 実ウィルソン係数の10通りの異なる組み合わせと、実数／複素数カップリングを含む3通りのケースを定義し、パラメータ空間を探索すること。
• 実験的データ（$R_{D^{(*)}}$、$R_{J/\psi}$、および $\text{Br}(B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau)$）に対するグローバル $\chi^2$ 最小化フィットを実施すること。
• $q^2$ の4つのバイン（$[m_\tau^2, 5]$、$[5, 7]$、$[7, 9]$、$[9, (m_B - m_P)^2]$）における分岐率、前向き後向き非対称性、レプトンおよびハドロンの偏光非対称性、および $R_{D^{**}}$ の比を計算すること。
• 個々のおよび組み合わせた新しい物理カップリングが角度観測量に与える感度を分析し、各 $q^2$ バインにおける支配的寄与を同定すること。
• 標準模型の値と予測を比較し、偏差を評価することで、新しい物理の最も感受性の高い探査手段を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトル、スカラー、テンソルのどの新しい物理カップリングが、$b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰えにおけるレプトン非ユニバーサル比 $R_{D^{(*)}}$ および $R_{J/\psi}$ を最も顕著に変化させるか？
• RQ2 実数および複素数ウィルソン係数は、$\bar{B} \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ および $B_s \to D_s^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰えにおける $q^2$ 依存の分岐率および角度観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ3 $\tau$ 偏光および前向き後向き非対称性は、4つの $q^2$ バインにわたる、さまざまな種類の新しい物理オペレーターに対して相対的にどの程度感度を示すか？
• RQ4 2つの実ウィルソン係数のどの組み合わせが、分岐率および角度観測量において標準模型から最も顕著なずれを示すか？
• RQ5 $\bar{B} \to D^{**}\tau\bar{\nu}_\tau$ 衰えにおける $D^{**}$ レゾナント寄与（$D^{*}_{0}, D_{1}^{*}, D_{1}, D_{2}^{*}$）は、特に $R_{D^{**}}$ においてどのように新しい物理に反応するか？

主な発見

• 複素 $S_R$ および $T$ カップリングが、特に $q^2 \in [5,7]$ および $[7,9]$ バインにおいて、標準模型の値から角度観測量に最も顕著なずれを生じさせる。
• 実 $S_R$ カップリングが、すべての $q^2$ バインにおいて $R_{D^{**}}$ に最大の相対的変化を引き起こし、最高のバインで値が $3.61$ に達するが、これは標準模型の予測値 $0.526$ よりも著しく大きい。
• $S_L \& S_R$ および $S_L \& T$ の実ウィルソン係数の組み合わせが、分岐率および角度観測量において最も顕著なずれを示し、他の2係数セットに比べて実験データのフィット性能が優れている。
• 複素 $S_L$ カップリングは、特に $[7,9]$ の $q^2$ バインにおいて、他の複素カップリングよりも特定の角度観測量に大きな影響を与える。
• 前向き後向き非対称性は $V_L$ カップリングに感度がなく、$\tau$ 偏光非対称性はベクトル型カップリングに依存しないことから、偏光がスカラーおよびテンソル相互作用に特有の感受性を示すことが明らかになった。
• 実数／複素数 $S_R$ の最良適合値は、$\chi^2/{\rm d.o.f.}$ を最小化しないが、これは $S_R$ が個別に強い影響を示すにもかかわらず、$S_L \& S_R$ のような他の組み合わせが、全体のデータフィットにおいてより優れた性能を示していることを示している。