[論文レビュー] Lepton Flavor Universality tests through angular observables of $\overline{B} o D^{(\ast)}\ell\overlineν$ decay modes

Damir Bečirević, Marco Fedele+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、$\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰えにおける角運動量観測量を用いて、$R(D^{(*)})$ の比を超えたレプトンのフレーバー不変性の破れ（LFUV）を検証することを提案する。すべての許容されるローレンツ構造を含む一般化された低エネルギー有効理論を構築することで、角分布の測定が、$R(D^{(*)})$ が標準模型（SM）に準拠する場合でも、ニューエネルギー物理学（NP）のローレンツ構造を区別できることを示している。主な結果は、角観測量が $R(D^{(*)})$ のみでは検出できないNP効果を探索できることである。

ABSTRACT

We discuss the possibility of using the observables deduced from the angular distribution of the $B o D^{(\ast)} \ell\barν$ decays to test the effects of lepton flavor universality violation (LFUV). We show that the measurement of even a subset of these observables could be very helpful in distinguishing the Lorentz structure of the New Physics contributions to these decays. To do so we use the low energy effective theory in which besides the Standard Model contribution we add all possible Lorentz structures with the couplings (Wilson coefficients) that are determined by matching theory with the measured ratios $R{(D^{(\ast)})}^\mathrm{exp}$. We argue that even in the situation in which the measured $R{(D^{(\ast)})}^\mathrm{exp}$ becomes fully compatible with the Standard Model, one can still have significant New Physics contributions the size of which could be probed by measuring the observables discussed in this paper and comparing them with their Standard Model predictions.

研究の動機と目的

• 角観測量が $R(D^{(*)})$ の比を超えてレプトンフレーバー不変性の破れ（LFUV）に追加の感度を提供できるかどうかを調査すること。
• R(D^{(*)}) 測定値が標準模型（SM）に準拠している場合でも、角分布を用いてニューエネルギー物理学（NP）のローレンツ構造を一意に特定できるかどうかを決定すること。
• すべての可能なローレンツ不変NPオペレーター（ベクトル、軸性ベクトル、スカラー、擬スカラー、テンソル）を含む一般化された低エネルギー有効理論を構築し、NP効果を体系的に探査すること。
• 第三世代レプトンにのみ関与するNPカップリングに対する角観測量の感度を評価すること。電子およびミューオンへのカップリングは無視可能と仮定する。
• |$V_{cb}$|の不確実性やフォーム因子の仮定に依存しない、角分布に基づく異なるNPモデルの区別フレームワークを提供すること。

提案手法

• すべてのローレンツ不変オペレーター（ベクトル、軸性ベクトル、スカラー、擬スカラー、テンソル）を含む、$b \to c\ell\bar{\nu}$ 衰えの一般化された低エネルギー有効場理論を定式化し、ウィルソン係数を自由パラメータとする。
• 実験的 $R(D^{(*)})$ 測定値に有効理論を一致させ、NPウィルソン係数を制約する。偏差が $\tau$ レプトンへのカップリングによるものと仮定する。
• $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰えの完全な角分布を、9つの独立した角観測量（前向き後ろ向き非対称性、$\lambda_\ell$-非対称性、$R_{L,T}$、$R_{A,B}$ の比）の観点から導出する。
• 制約されたウィルソン係数を用いて、各角観測量のSM予測とNP寄与を計算し、モンテカルロサンプリングを用いて不確実性を伝搬する。
• $R(D)$ および $R(D^*)$ の実験的値にフィットして最適なNPカップリングを決定し、それらに対応する角観測量の予測を計算する。
• 得られたNP予測をSM値と比較し、$R(D^{(*)})$ がSMに準拠する状況でも顕著なずれを示す可能性があることを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 角観測量が、$\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 衰えにおけるニューエネルギー物理学（NP）寄与のローレンツ構造を区別できるか。
• RQ2 $R(D^{(*)})$ が完全に標準模型（SM）に適合した場合でも、角観測量は依然としてニューエネルギー物理学（NP）効果を検出できるか。
• RQ3 どの角観測量が、特定のNPオペレーター（例：ベクトル、スカラー、テンソル）に対して最も感度が高いか。
• RQ4 $R(D^{(*)})$ データで制約された場合、さまざまなNPシナリオ（例：$g_V$, $g_A$, $g_S$, $g_T$）における角観測量の予測はどのように異なるか。
• RQ5 角分布解析は、$R(D^{(*)})$ のみでは区別できないNPモデルの曖昧さを解消できるか。

主な発見

• R(D^{(*)}) が完全に標準模型（SM）に準拠しても、$A_{FB}^{D^*}$、$A_{\lambda_\ell}^{D^*}$、$A_5$ などの角観測量は依然として顕著なニューエネルギー物理学（NP）効果を示す可能性がある。
• $A_{\lambda_\ell}^{D^*}$ 非対称性はNP寄与に対して特に感度が高く、$g_S$ に対しては $-0.25 \pm 0.05$、$g_T$ に対しては $0.22 \pm 0.02$ を予測し、SM値の $0.47 \pm 0.02$ とは顕著に異なる。
• $R(R_{L,T})$ 観測量はスカラーおよびテンソルNPに対して非常に感度が高い：$g_S$ に対しては $0.99 \pm 0.04$、$g_T$ に対しては $0.46 \pm 0.02$ を予測し、SM値の $0.79 \pm 0.02$ とは大きく異なる。
• $A_5$ 非対称性はNPに対して強い感度を示す：$g_V$ に対しては $1.24 \pm 0.02$、$g_A$ に対しては $0.71 \pm 0.03$、$g_T$ に対しては $0.55 \pm 0.05$ を予測し、SM値の $1.15 \pm 0.02$ とは顕著に異なる。
• $A_7$ および $A_8$ 観測量はスカラーおよびテンソルNPに感度が高い：$D(A_7)$ は $g_P$ に対して $-5.6 \pm 0.2 \times 10^{-3}$、$g_{S_R}$ に対しては $-2.2 \pm 0.1 \times 10^{-3}$ を予測し、$A_9$ は $g_{S_R}$ に対して $-0.047 \pm 0.001$ を予測する。
• $A_{FB}^{D^*}$ 前向き後ろ向き非対称性はNPに強く感度を示す：$g_A$ に対しては $-0.37 \pm 0.04$、$g_V$ に対しては $0.37 \pm 0.03$ を予測し、SM値の $0.23 \pm 0.04$ とは顕著に異なる。