[論文レビュー] Review of Semileptonic $B$ Anomalies

Bernat Capdevila, Andreas Crivellin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 176被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、半レプティックなB崩壊における異常をレビューし、b → sℓ+ℓ−およびb → cτν遷移において標準模型の予測から顕著なずれが見られることを特定している。左巻きのベクトルカレント（例：U1レプトクォーク、S1+S3スカラー・レプトクォーク）による統合的ニューエイジス（New Physics）説明が提案されており、R(D∗)、P′5の異常、RKを同時に説明し、CU9に20%のNP寄与を伴って6.3σのグローバルな有意性を達成している。

ABSTRACT

We review the current status and implications of the anomalies (i.e. deviations from the Standard Model predictions) in semi-leptonic $B$ meson decays, both in the charged and in the neutral current. In $b o s\ell^+\ell^-$ transitions significant tensions between measurements and the Standard Model predictions exist. They are most pronounced in the branching ratios ${\cal B}_{B o Kμ^+μ^-}$ and ${\cal B}_{B_s oϕμ^+μ^-}$ (albeit quite dependent on the form factors used) as well as in angular observables in $B o K^*μ^+μ^-$ (the $P_5^\prime$ anomaly). Because the measurements of ${\cal B}_{B_s o μ^+μ^-}$ and of the ratios $R_K$ and $R_{K^*}$ agree reasonably well with the SM predictions, this points towards (dominantly) lepton flavour universal New Physics coupling vectorially to leptons, i.e. contributions to $C_9^{ m U}$. In fact, global fits prefer this scenario over the SM hypothesis by $5.8σ$. Concerning $b o cτν$ transitions, $R(D)$ and $R(D^*)$ suggest constructive New Physics at the level of $10\%$ (w.r.t. the Standard Model amplitude) with a significance above $3σ$. We discuss New Physics explanations of both anomalies separately as well as possible combined explanations. In particular, a left-handed vector current solution to $R(D^{(*)})$, either via the $U_1$ leptoquark or the combination of the scalar leptoquarks $S_1$ and $S_3$, leads to an effect in $C_9^{ m U}$ via an off-shell penguin with the right sign and magnitude and a combined significance (including a tree-level effect resulting in $C_{9μ}^\mathrm{V}=-C_{10μ}^\mathrm{V}$ and $R(D^{(*)})$) of $6.3σ$. Such a scenario can be tested with $b o s τ^+τ^-$ decays. Finally, we point out an interesting possible correlation of $R(D^{(*)})$ with non-leptonic $B$ anomalies.

研究の動機と目的

• 半レプティックB崩壊異常に関する現在の実験的および理論的状況を評価すること。
• b→sℓ+ℓ−およびb→cτν異常に対するニューエイジス（New Physics）説明のグローバルフィットを評価すること。
• 複数の異常を一度に説明できる単一のNPフレームワークによる統合的説明を検討すること。
• 提案されたNPシナリオの検証可能な予測（例：b→sτ+τ−崩壊）を特定すること。

提案手法

• 弱い有効理論（WET）および有効ハミルトニアンを用いて、半レプティックB崩壊の観測量に対するグローバルフィットを実施。
• B→K∗μ+μ−、Bs→ϕμ+μ−、B→Kμ+μ−における分岐比、角度観測量（例：P′5）、LFU比（RK、RK∗）を分析。
• ハドロン的不確かさを低減し、短距離NPへの感受性を高めるために、最適化された観測量P′1,2,3,4,5,6,8を適用。
• モデルに依存しないフィットと、U1レプトクォーク、スカラー・レプトクォークS1とS3、Z′ボソンを含む具体的なNPモデルを検討。
• 特にC9μおよびC10μにおけるNP寄与と、それらがR(D∗)およびR(K∗)に与える影響を評価。
• データ駆動型のcharmループ決定を不偏LHCb解析に適用し、P′5へのNP寄与の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 b→sℓ+ℓ−およびb→cτν異常をニューエイジスとして解釈した場合、グローバルな有意性はどの程度か？
• RQ2 R(D∗)異常とB→K∗μ+μ−におけるP′5異常を同時に説明できる単一のNPモデルは存在するか？
• RQ3 U1レプトクォークまたはS1+S3スカラー・レプトクォークモデルが、LFU違反およびLFU保存観測量に与える影響は何か？
• RQ4 Bs−B̄s混合およびb→sτ+τ−崩壊からの制約は、妥当なNPシナリオにどのような影響を及えるか？
• RQ5 R(B→Kτ+τ−)のような未来の測定に対して、統合的シナリオの予測力はどの程度か？

主な発見

• グローバルフィットは、SMに比べてレプトンへのベクトル型カップリング（CU9）を伴うニューエイジス（New Physics）シナリオを5.8σで支持し、R(D∗)を含めた組み合わせ的有意性は6.3σに達する。
• B→K∗μ+μ−におけるP′5異常は2つのビンで約2σのずれを示しており、電荷付きモード測定によって裏付けられている。
• U(2)qフレーバー対称性を有するU1レプトクォークモデルは、R(D∗)とP′5異常を自然に結びつけ、RK = 0.909 ± 0.060およびRK∗ = 0.914 ± 0.053を予測する。
• このシナリオは、R(D∗)と同等レベルのb→sτ+τ−分岐比を予測しており、LHCbで測定可能である可能性がある。
• S1レプトクォークによる説明は、新たに浮上した非レプティックB崩壊異常とも相関する可能性がある。
• 不偏LHCb解析により、P′5を説明するために、以前のフィットと同程度のC9へのNP寄与が必要であることが確認された。これは、データ駆動型のcharmループ決定を用いても同様に成立する。