[論文レビュー] Lepton nonuniversality anomalies and implications

Gudrun Hiller|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、珍しいB中間子崩壊における軽レプトン非ユニバーシティ異常を調査し、特に$C_9^{ m NP}$および$C_{10}^{ m NP}$を含むV-A型のオペレーターが$R_K$および$R_{K^*}$における偏差の主な原因であると特定している。$q^2 \in [1.1,6]~\text{GeV}^2$において$R_K \simeq 0.745$および$R_{K^*} \simeq 0.69$である。インクルーシブ$B \to X_s \ell\ell$崩壊における$R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$の予測がなされ、Belle IIで検証可能である。また、スカラーやベクトル型レプトクォークが有望なBSMの説明であると特定している。

ABSTRACT

We discuss avenues for diagnosing new physics hinted from lepton nonuniversality in rare $b$-decays, and physics implications.

研究の動機と目的

• 珍しい$b \to s\ell\ell$崩壊における軽レプトン非ユニバーシティ（LNU）異常、特に$R_K$および$R_{K^*}$の原因を特定すること。
• 異常がミュオン、電子、または両方の新しい物理（NP）に起因するかを、レプトンに特化した測定を用いて同定すること。
• charm物理学、中間子物理学、レプトンフラバー違反（LFV）、および$\tau$崩壊を含む他のフレーバー系との相関を調査すること。
• 既存の制約を満たしつつ異常を説明できる、特にレプトクォークを含む有望なBSMモデルを同定すること。
• Belle IIおよびLHCにおける今後の実験で検証可能な予測を提示すること、特に$R_{X_s}$および$B \to K^{(*)}ee$崩壊の予測を含む。

提案手法

• 次元6の有効場理論フレームワークを用い、$\mathcal{H}_{\rm eff} = -4G_F/\sqrt{2} \, V_{tb}V_{ts}^* \sum_i C_i(\mu) O_i(\mu)$により$b \to s\ell\ell$遷移を記述する。
• 新しい物理（NP）寄与を分離するために、線形近似$\mathcal{B} = |A^{\rm SM} + A^{\rm NP}|^2 \approx |A^{\rm SM}|^2 + 2\,{\rm Re}(A^{\rm SM} A^{\rm NP*}) + |A^{\rm NP}|^2$を適用する。
• $H = K, K^*, X_s$に対して$R_H = \mathcal{B}(B \to \bar{H}\mu\mu)/\mathcal{B}(B \to \bar{H}ee)$を分析し、ハドロン的不確実性を低減するために$q^2$積分された分岐比を用いる。
• $C_9^{\rm NP}$および$C_{10}^{\rm NP}$を用いて、支配的NP構造を同定し、ミュオンに対して$\Delta C_9^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$および$\Delta C_{10}^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$を得る。
• $R_K$および$R_{K^*}$のデータに基づき、$R_H$比の対称性関係を用いて$R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$を予測する。
• レプトクォークモデル（$S_3, V_3, V_1$）が有望な説明であると評価し、V+A構造のため$\tilde{S}_2$は除外する。また、質量および結合定数に関するモデルに依存しない上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $R_K$および$R_{K^*}$異常を引き起こす新しい物理の支配的ディラック構造（V-A、V+Aなど）は何か？
• RQ2 レプトンに特化した測定により、異常がミュオン、電子、または両方の新しい物理に起因するかを区別できるか？
• RQ3 どのレプトクォークモデルが$R_K$および$R_{K^*}$異常を同時に説明しつつ、$B_s \to \mu\mu$からの制約を満たすことができるか？
• RQ4 $R_{X_s}$および他の$R_H$比の検証可能な予測は何か？Belle IIではどのようにプローブ可能か？
• RQ5 異常は$R_{D^{(*)}}$、$\mu \to e\gamma$、$K^0 \to \mu^+\mu^-$などの他のフレーバーに敏感な過程とどのように相関するか？

主な発見

• LHCbが測定した$R_K^{\rm LHCb} = 0.745^{+0.090}_{-0.074} \pm 0.036$および$R_{K^*}^{\rm LHCb} = 0.69^{+0.11}_{-0.07} \pm 0.05$は、レプトンユニバーシティから約2.6σのずれを示している。
• 異常は、ミュオンに対して$\Delta C_9^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$および$\Delta C_{10}^{\rm NP} \sim -1.1 \pm 0.3$を示すV-A型オペレーターによる新しい物理によって最もよく説明される。
• インクルーシブ$R_{X_s}$比は$R_{X_s} \simeq 0.73 \pm 0.07$と予測され、Belle IIで明確に検証可能な信号である。
• スカラーツインクレット（$S_3$）、ベクトルツインクレット（$V_3$）、およびベクトルシングレット（$V_1$）レプトクォークは、木レベルで説明可能な候補であるが、スカラーダブルット（$\tilde{S}_2$）は除外される。
• レプトクォーク質量のモデルに依存しない上限は、それぞれ$S_3$、$V_1$、$V_3$に対して約40、45、20 TeVであり、大部分のパラメータ空間はLHCの探査範囲外にある。
• 異常は$B_s \to \mu\mu$の制約と整合的であり、$0 \lesssim {\rm Re}[C_{10}^{\rm NP\mu} - C_{10}^{\prime\rm NP\mu}] \lesssim 0.9$である。