[論文レビュー] Lepton universality violation and lepton flavor conservation in $B$-meson decays

Rodrigo Alonso, Benjaḿın Grinstein+1 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 155

ひとこと要約

この論文は、最小フレーバー不変性を仮定する有効場理論フレームワークを通じて、$B$-メソン崩壊におけるレプトン普遍性の破れを調査し、主にミュオンと結合する数TeVのスケールの新しい物理が、レプトンフラバー不変性を引き起こさずに $R_K$ 異常を説明できることを示している。主な予測として、$b\to s\tau\tau$ 崩壊率が $\sim10^3$ 倍増加し、$B$ テウオン的崩壊に顕著な効果が現れ、観測された $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ および $B^{-}\to\tau^{-}\bar{\nu}$ の過剰が解消される可能性がある。

ABSTRACT

Anomalies in (semi)leptonic $B$-meson decays present interesting patterns that might be revealing the shape of the new physics to come. In order to understand the experimental data, we explore symmetry arguments that lead to the hypothesis of minimal flavor violation. In particular, under the assumption of negligible neutrino mass effects in charged lepton processes, the presence of lepton universality violation without lepton flavor violation naturally arises. This can account for a deficit of $B^+ o K^+μμ$ over $B^+ o K^+ee$ decays with new physics coupled predominantly to muons and a new physics scale of a few TeV. A prediction of this scenario is the modification of processes involving the third generation. In particular, accounting for the above ratio implies a large enhancement, by a factor $\sim10^3$ with respect to the standard model, of all the $b o sττ$ decay rates. Although these are still below current experimental limits, they should be easily at reach in future experiments at $B$-factories. Another important consequence is the prediction of sizable effects in charge-current $B$ tauonic decays which could also explain the enhancements that have been observed in the $B o D^{(*)}τ\bar ν$ and $B^- oτ^-\bar ν$ decays. For the most part, the study is carried out in an effective field theory framework with an underlying $SU(2)_L imes U(1)_Y$ symmetry that emphasizes the model-independent correlations arising between low- and high-energy observables. For example, a connection between $B$-decays and top physics is pointed out. To complement the discussion, all possible (spin 0 and 1) leptoquark models are matched to the low-energy field theory so that the effective analysis can be used to survey these candidates for new physics. These models also serve as concrete examples where the hypotheses of this work can be implemented.

研究の動機と目的

• $B$-メソン崩壊における異常、特にレプトン普遍性の破れを示唆する $R_K$ 異常の起源を理解すること。
• 対称性の原則のもとで、レプトンフラバー不変性を誘発せずにレプトン普遍性の破れが生じうるかを検討すること。
• 低エネルギー $B$ 崩壊観測量と高エネルギー物理との間のモデルに依存しない相関関係を特定すること、特に最小フレーバー不変性の文脈で。
• レプトクォークモデルが提示された新しい物理フレームワークの実現可能性を検証すること。

提案手法

• $SU(2)_L \times U(1)_Y$ゲージ対称性を有する有効場理論フレームワークを用い、低エネルギーと高エネルギーの観測量の間のモデルに依存しない相関関係を導出する。
• 対称性の議論を適用し、最小フレーバー不変性の仮定のもとで、レプトン普遍性の破れがレプトンフラバー不変性を伴わずに生じうることを示す。
• すべての可能なスピン0およびスピン1のレプトクォークモデルを低エネルギー有効理論に一致させ、妥当な新しい物理の候補を同定する。
• 重いレプトクォーク状態を統合した後の有効ラグランジアンを導出し、標準模型の演算子基底に射影して $B$ 崩壊振幅を計算する。
• EFT形式を用いて、$B\to K\mu\mu$、$B\to K^*\mu\mu$、および $B$ テウオン的崩壊における分岐比と角度観測量を計算する。
• LHCbおよび$B$ファクトリーからの実験データと比較し、特に $R_K$、$R_{K^*}$、および $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ 率に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン普遍性の破れが $B$-メソン崩壊で発生するが、レプトンフラバー不変性を誘発しないことは可能であり、どのような対称性の原則がこれを可能にするか？
• RQ2 もし $R_K$ 異常がミュオンと結合する新しい物理によって引き起こされるならば、$b\to s\tau\tau$ 崩壊率に対するモデルに依存しない予測は何か？
• RQ3 最小フレーバー不変性の下で、$b\to s\ell\ell$ および $b\to c\tau\bar{\nu}$ セクターにおける $B$ 崩壊観測量はどのように相関しているか？
• RQ4 レプトクォークモデルは、現在の実験的制約と整合しながら、提示されたシナリオを実現可能か？
• RQ5 $R_K$ 異常はトップクォーク物理学や他のフラバー不変性過程にどのような影響を及えるか？

主な発見

• $B^+\to K^+\mu\mu$ と $B^+\to K^+ee$ 崩壊の間のレプトン普遍性からの $2.6\sigma$ のずれを示す $R_K$ 異常は、数TeVスケールの新しい物理が主にミュオンと結合することで説明可能である。
• 最小フレーバー不変性の下で、すべての $b\to s\tau\tau$ 崩壊率が標準模型に比べて $\sim10^3$ 倍増加すると予測されるが、依然として現在の実験的限界の下にある。
• このシナリオは、電荷現在 $B$ テウオン的崩壊、特に $B\to D^{(*)}\tau\bar{\nu}$ および $B^{-}\to\tau^{-}\bar{\nu}$ に顕著な効果を予測しており、観測された $3.6\sigma$ の過剰を説明できる可能性がある。
• $B$ 崩壊とトップクォーク物理学との間の関係が確立され、トップクォーク過程も同様の新しい物理スケールに敏感である可能性が示唆された。
• すべてのスピン0およびスピン1のレプトクォークモデルが低エネルギーEFTに一致され、それらが提示された対称性に基づくフレームワークを実現可能であり、$R_K$ 異常を再現できることを示した。
• レプトクォークを統合して得られた有効ラグランジアンは、$b\to d_j\ell_\alpha\ell_\beta$ 遷移の主な寄与が特定のレプトクォーク結合から生じることを確認しており、$\Delta_{-7/6}$ および $V_{-2/3}$ 型が $R_K$ 異常に対して最も関連が深い。