[論文レビュー] New Physics in $b o s\ell\ell$ anomalies and its implications for the complementary neutral current decays

Faisal Munir Bhutta, Zhuo-Ran Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 79被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、バリオン最終状態を含む $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰えにおいて、モデルに依存しない有効ハミルトニアンとヘリシティ形式を用いて、レプトンフレーバー不変性（LFUV）比の研究を行う。$B \to K^*\ell^+\ell^-$、$B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$、$B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰えにおいて、特に低-$q^2$領域でLFUV比が新しい物理に極めて感受性を示すことが判明し、今後の Belle II および LHCb 測定において、NPのシナリオを区別する重要な指標となる。

ABSTRACT

We study the Standard Model and the new physics predictions for the lepton-flavour-universality violating (LFUV) ratios in various $b o s \ell^+\ell^-$ channels with scalar, pseudoscalar, vector, axial-vector, and $Λ$ baryon final states, considering both unpolarized and polarized final state hadrons. In order to formulate physical observables, we use the model independent effective Hamiltonian approach and employ the helicity formalism. We provide the explicit expressions of the helicity amplitudes in terms of the Wilson coefficients and the hadronic form factors by using the same kinematical configuration and polarization conventions for all the decay channels.We perform the numerical analysis with new physics scenarios selected from the recent global fits to $b o s\ell^+\ell^-$ data, having specific new physics model interpretations. We find that some of the LFUV ratios for these complementary channels in different kinematical regions have high sensitivity to new physics and the future measurements of them in Belle II and LHCb experiments, along with testing new physics/LFUV, can help to distinguish among some of the different new physics possibilities.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理へのレプトンフレーバー不変性（LFUV）比の感受性を評価すること。
• $B \to K^*\mu^+\mu^-$ にとどまらず、スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、およびバリオン最終状態（$K_1(1400)$ や $\Lambda$ バリオンを含む）への LFUV 分析を拡張すること。
• ヘリシティ振幅とウィルソン係数を用いた統一的フレームワークを提供し、一貫した運動量および偏光規約に従って、多様な崩壊モード間で NP 効果を比較すること。
• 将来の Belle II および LHCb 測定が、異なる $q^2$ バインで LFUV 比を用いて、競合する新しい物理モデルを区別する可能性を評価すること。
• ハドロン的フォーム因子の不確実性およびウィルソン係数の $1\sigma$ 範囲が、複数の崩壊チャネルにわたる LFUV 予測に与える影響を定量化すること。

提案手法

• モデルに依存しない有効ハミルトニアンアプローチを用いて、$b \to s\ell^+\ell^-$ 遷移を記述し、ウィルソン係数を通じて標準模型と新しい物理の寄与を統合する。
• ヘリシティ形式を用いて、$B \to K^*\ell^+\ell^-$、$B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$、$B \to \Lambda\ell^+\ell^-$、$B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ のすべての崩壊モードのヘリシティ振幅を計算し、偏光および運動量規約を一貫して適用する。
• ヘリシティ振幅をウィルソン係数とハドロン的フォーム因子の関数として表現し、異なる最終状態間で NP 効果を直接比較可能にする。
• $b \to s\ell^+\ell^-$ データへのグローバルフィットから導かれる NP シナリオを用いて数値的解析を実施し、$Z'$、レプトクォーク、スカラー媒介子などの特定のモデル解釈を含む。
• フォーム因子の不確実性およびウィルソン係数の $1\sigma$ 範囲を考慮した誤差伝搬を伴い、複数の $q^2$ バインで LFUV 比 $R_K$、$R_{K^*}$、$R_{K_1^{(L,T)}}$、$R_{\Lambda^{(0,1)}}$ を計算する。
• 特に NP 効果が強化される低-$q^2$ バインで、これらの比が新しい物理にどれほど感受性を示すかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $K_1(1400)$、$\Lambda$、$\Lambda^*$ 最終状態を伴う $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰えにおける LFUV 比が、新しい物理の下で標準模型予測とどのように異なるか。
• RQ2 $B \to K^*\ell^+\ell^-$、$B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$、$B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰えにおいて、どの運動量領域（$q^2$ バイン）が新しい物理効果に対して最も感受性を示すか。
• RQ3 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ および $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ 衰えにおける LFUV 比が、$Z'$、レプトクォーク、またはスカラー媒介子といった異なる新しい物理モデルを区別するのに役立つかどうか。
• RQ4 フォーム因子の不確実性およびウィルソン係数の $1\sigma$ 範囲が、補完的崩壊チャネルにおける LFUV 比の予測力にどのように影響するか。
• RQ5 将来の Belle II および LHCb 実験が、バリオン的および高スピン最終状態における測定を通じて、$R_K$ および $R_{K^*}$ 異常を解消する可能性は何か。

主な発見

• $q^2 \in [1,6]$ GeV$^2$ バインにおける $R_{K_1^{(L,T)}(1400)}$ 比は、標準模型の予測値 1.0 から顕著に逸脱しており、NP シナリオ S3 と S4 ではそれぞれ 0.782 および 0.753 まで低下する。これは、新しい物理に対して極めて感受性が高いことを示唆する。
• $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰えでは、NP シナリオで $R_\Lambda$ 比が著しく低下し、S3 では 0.785、S6 では 0.768 にまで下がる。特に高-$q^2$ バインで顕著な低下が見られ、NP モデルを区別する強力な可能性を示している。
• $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ 衰えにおける $R_{\Lambda^{(0,1)}}$ 比は、低-$q^2$ 領域で標準模型から最大 25% の逸脱を示し、S1 と S6 ではそれぞれ 0.784 および 0.769 まで低下する。これは、新しい物理に対して高い感受性を示している。
• $q^2 \in [1.1,6]$ GeV$^2$ バインにおける $R_{K^*}$ 比は、NP シナリオ S2 で 0.69 まで低下すると予測され、実験データと整合的である。一方、$B \to K\ell^+\ell^-$ における $R_{K}$ 比は、S3 および S4 で最大 15% の逸脱を示す。
• $q^2 \in [14,q^2_{\text{max}}]$ バインにおける $R_{\Lambda^1}$ 比は、S1 で 0.786、S6 で 0.767 まで低下すると予測され、バリオン性崩壊の高-$q^2$ 領域が新しい物理に対して特に感受性が高いことが示された。
• 本研究では、特にフォーム因子の不確実性が小さく、NP 効果が強化される低-$q^2$ バインにおいて、$R_{K_1^{(L,T)}(1400)}$ および $R_{\Lambda^{(0,1)}}$ が、NP モデルを区別するための重要な観測量であると特定した。