[論文レビュー] Leptoquarks facing flavour tests and $b o s\ell\ell$ after Moriond 2021

Jonathan Kriewald, Chandan Hati+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、$b \to s\ell\ell$ および $b \to c\tau\nu$ 衰えにおける異常を説明するためのレプトクォークモデルについて、モデルに依存しない有効場理論的手法を用いて分析し、2021年モリオンド以降のLHCbデータを用いてウィルソン係数のフィットを更新している。ベクトル型レプトクォークが $R_{K^{(*))}}$ と $R_{D^{(*)}}$ 異常を同時に説明できる有望なフレームワークであることが特定され、主な間接的プローブとして $\tau\to\phi\mu$、$B_{(s)}\to\tau\tau$、$B_{(s)}\to\tau\mu$、および COMET/Mu2e におけるLFVが挙げられる。一方で、$R_{D^{(*)}}$ の進化がベクトル型レプトクォークモデルの説明を否定する可能性があることが示された。

ABSTRACT

In view of the emerging hints for the violation of lepton flavour universality in several $B$-meson decays, we conduct a model-independent study (effective field theory approach) of several well-motivated new physics scenarios. Taking into account the most recent LHCb data, we provide updates to Wilson coefficient fits for numerous popular new physics hypotheses. We also consider a promising model of vector leptoquarks, which in addition to explaining the $B$-meson decay anomalies ($R_{K^{(*)}}$ and $R_{D^{(*)}}$) would have an extensive impact for numerous flavour observables. We identify promising decay modes allowing to (indirectly) probe such an extension: these include positive signals (at Belle II or LHCb) for $τ o ϕμ$, $B_{(s)}$-meson decays to $τ^+ τ^-$ and $τ^+ μ^-$ ($τ^+ e^-$) final states, as well as an observation of certain charged lepton flavour violation transitions at COMET and Mu2e. We also argue how the evolution of the experimental determination of $R_{D^{(*)}}$ can prove instrumental in falsifying a vector leptoquark explanation of the anomalous $B$-meson decay data.

研究の動機と目的

• ベクトル型レプトクォークモデルが $B$ メソンの衰えにおける持続的な $R_{K^{(*)}}$ および $R_{D^{(*)}}$ 異常を説明できるかを評価すること。
• 最新のLHCbデータを用いてウィルソン係数のフィットを更新し、$R_K = 0.846^{+0.044}_{-0.041}$ の測定（標準模型から $3.1\sigma$ のずれ）を含むこと。
• ベクトル型レプトクォークモデルを検証するための間接的実験的プローブ（$\tau\to\phi\mu$、$B_{(s)}\to\tau\tau$、$B_{(s)}\to\tau\mu$、$\mu\to e$ 遷移におけるLFV）を同定すること。
• $R_{D^{(*)}}$ 測定の進化が、ベクトル型レプトクォークによる異常説明を否定するかどうかを評価すること。

提案手法

• 高次元オペレーターを用いて新物理をパラメータライズする有効場理論（EFT）アプローチを用い、ウィルソン係数 $C_9$、$C_{10}$ およびそのフレーバー・レプトンフラバー非保存バージョンに注目する。
• 最新のLHCb結果を含む $b\to s\ell\ell$ および $b\to c\tau\nu$ データ（$R_K$、$R_{K^*}$、角度観測量、$B_{(s)}\to\mu^+\mu^-$）を用いたグローバルフィットを実施する。
• 複数の新物理仮説を検討：単一ウィルソン係数（single-WC）、二つウィルソン係数（two-WC）、六つウィルソン係数（six-WC）のフィット。特に $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ および $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ に $\Delta C_9'^{bs\mu\mu}$ を加えたケースに注目する。
• 適合度を評価するため、尤度の等高線とプル（pull）を用い、プロファイル化された不確実性を伴う標準模型の予測と実験データを比較する。
• 更新された $R_K$ 測定が新物理フィットの有意水準に与える影響を分析し、特定の仮説においてプルが増加することを示す。
• $R_{K^*} < R_K$ および角度観測量との整合性を評価し、モデルの妥当性に影響を与える緊張を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトル型レプトクォークモデルは、同一のカップリングで $R_{K^{(*)}}$ と $R_{D^{(*)}}$ 異常を同時に説明できるか？
• RQ2 $\tau\to\phi\mu$、$B_{(s)}\to\tau\tau$、$B_{(s)}\to\tau\mu$ のような希少崩壊モードのうち、どのモードがベクトル型レプトクォークモデルに対して最も感受性の高い間接的プローブとなるか？
• RQ3 更新されたLHCbによる $R_K = 0.846^{+0.044}_{-0.041}$ 測定は、グローバルフィットの有意水準およびモデルの整合性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 $R_{K^*} < R_K$ と角度観測量との間の緊張は、ベクトル型レプトクォークモデルの妥当なパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ5 将来の $R_{D^{(*)}}$ 測定は、ベクトル型レプトクォーク仮説を否定するテストとして機能できるか？

主な発見

• 更新された $R_K$ 測定により、$\Delta C_9^{bs\mu\mu}$ 仮説の新物理フィットの有意水準が、モリオンド2021以前の $5.9\sigma$ から $6.3\sigma$ に上昇した。
• $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ 仮説は、モリオンド2021以降で $5.9\sigma$ のプルを達成し、最良適合点は $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -0.41^{+0.07}_{-0.08}$ であった。
• 六ウィルソン係数（six-WC）フィットでは、モリオンド2021以降で $6.5\sigma$ のプルを達成し、$\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -1.15^{+0.16}_{-0.15}$ および $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} = 0.40^{+0.32}_{-0.33}$ となった。これは、モリオンド以前の結果よりもわずかに改善された。
• $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ および $\Delta C_9'^{bs\mu\mu}$ を含むモデルは $6.4\sigma$ のプルを示し、$\Delta C_9'^{bs\mu\mu} \approx \Delta C_9^{bs\mu\mu}$ のとき $R_K < R_{K^*}$ と強く整合することが示された。
• $R_{K^{(*)}}$ と角度観測量との間の緊張は依然として存在し、特に $\Delta C_9^{bs\mu\mu} = -\Delta C_{10}^{bs\mu\mu}$ および $\Delta C_9'^{bs\mu\mu} = \Delta C_{10}'^{bs\mu\mu}$ の状況で顕著で、モデルの制約を示唆している。
• $R_{D^{(*)}}$ 測定の進化が、ベクトル型レプトクォークによる $R_{K^{(*))}}$ 異常の説明を否定する重要なテストであることが示された。$R_{D^{(*)}}$ が標準模型の予測から引き続きずれる場合、ベクトル型レプトクォーク説明は否定される可能性がある。