[論文レビュー] The Global Fits of New Physics in $b o s $ after $R_{K^{(*)}}$ 2022 Release

Qiaoyi Wen, Fanrong Xu|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCb、CMS、ATLAS、Belle、BaBarからの200件を超える観測量を用いて、2022年の$R_{K^{(*))}}$更新前後における$b\to s\ell^+\ell^-$遷移における新しい物理学のグローバルフィットを実施する。$R_{K^{(*))}}$の異常は顕著に減少したように見えるが、依然として$\sim4\sigma$の偏差が$\mu$レプトンの$\Delta C_9^\mu$ウィルソン係数に見られ、$b\to s\ell^+\ell^-$における新しい物理学の可能性が依然として健在していることを示唆している。

ABSTRACT

The measurement of lepton universality parameters $R_{K^{(*)}}$ was updated by LHCb in December 2022, which indicated that the well-known anomalies in flavor-changing neutral current (FCNC) processes of B meson decays have faded away. However, does this mean that all new physics possibilities related to $b o s\ell^+\ell^-$ have been excluded? We aim to answer this question in this work. The state-of-the-art effective Hamiltonian is adopted to describe $b o s$ transition, while BSM (beyond the Standard Model) new physics effects are encoded in Wilson coefficients (WCs). Using around 200 observables in leptonic and semileptonic decays of B mesons and bottom baryons, measured by LHCb, CMS, ATLAS, Belle, and BaBar, we perform global fits of these Wilson coefficients in four different scenarios. In particular, lepton flavors in WCs are specified in some of the working scenarios. To see the change of new physics parameters, we use both the data before and after the 2022 release of $R_{K^{(*)}}$ in two separate sets of fits. We find that in three of the four scenarios, $ΔC_9^μ$ still has a deviation around or more than $4σ$ from the Standard Model. The lepton flavor in WCs is distinguishable for $ΔC_{9}$ at the $1σ$ level, but at the $2σ$ level all the operators are flavor identical. We demonstrate numerically that there is no chirality for muon type of scalar operator and it is kept at the $1σ$ level for their electron type dual ones, while chiral difference exists for $\mathcal{O}_{9}^μ$ at least at the $2σ$ level. Moreover, it can be deduced that the scalar operators $\mathcal{O}_{S,P}^{(')μ}$ become null if new physics emerges in terms of SMEFT (Standard Model Effective Field Theory) up to dimension-6.

研究の動機と目的

• 2022年のLHCbによる$R_{K^{(*))}}$の更新後、レプトンユニバーサリティ違反の異常が著しく減少したことを受けて、$b\to s\ell^+\ell^{-}$崩壊における新しい物理学の妥当性を再評価すること。
• B中間子およびバリオンの崩壊から得られる200件を超える観測量の包括的データセットを用いて、有効場理論フレームワークにおけるウィルソン係数のグローバルフィットを実施すること。
• 2022年の更新前に観測された$\sim4\sigma$の$\Delta C_9^\mu$の偏差が、更新後のデータでも依然として持続するかどうかを調査すること。
• 特に$1\sigma$および$2\sigma$レベルで、レプトンのフレーバーに依存するウィルソン係数の新しい物理学のオペレーター構造を区別できるかを検討すること。
• SMEFTにおいて、スカラー型オペレーター$\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$が次元6までに消えるかどうかをテストし、$\mathcal{O}_9^\mu$におけるカイラリティ構造を評価すること。

提案手法

• ハドロンスケールにおける新しい物理学の効果をウィルソン係数（WCs）で記述する最新の有効ハミルトニアンを用いる。
• 半レプトン的崩壊のハドロン行列要素をQCDFアプローチで計算し、理論的および実験的誤差を組み込む。
• 4つの異なるシナリオ（異なるWCの組み合わせを含む）に対してベイズ的グローバルフィットを実施し、特にレプトンのフレーバーに明示的に指定されたmuonおよび電子オペレーターを含むものも含む。
• 2022年の$R_{K^{(*))}}$更新前のデータと更新後のデータを比較し、改訂された$R_{K^{(*))}}$測定値の影響を評価する。
• 理論的および実験的誤差を含む尤度関数を用い、特に注目すべきパラメータとして$\Delta C_9^\mu$を扱う。
• 数値シミュレーションおよび統計的推論を用いて、各シナリオにおける標準模型からの偏差の有意水準を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2022年のLHCbによる$R_{K^{(*))}}$の更新で、異常は標準模型の予測に近づいたが、これにより$b\to s\ell^+\ell^{-}$遷移における新しい物理学は排除されるのか？
• RQ2 更新後の$R_{K^{(*))}}$データでも、依然として$\sim4\sigma$の$\Delta C_9^\mu$の偏差が維持されるのか？
• RQ3 $1\sigma$または$2\sigma$レベルで、新しい物理学のオペレーターのフレーバー構造が区別可能か、特に$\Delta C_9^\mu$およびスカラー型オペレーターについて検討できるか？
• RQ4 $R_{K^{(*))}}$に$\sim4\sigma$の偏差が見られなくなったことから、SMEFTにおいて次元6までに$\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$が消える必要があると結論づけられるか？
• RQ5 $\mathcal{O}_9^\mu$オペレーターにカイラリティ構造があるのか、もしあるなら、どの有意水準で観測されているのか？

主な発見

• 2022年の$R_{K^{(*))}}$の更新では、標準模型からのずれが$0.2\sigma$にまで縮小されたが、依然としてウィルソン係数$\Delta C_9^\mu$は標準模型の予測から$\sim4\sigma$のずれを示している。
• 更新後の$R_{K^{(*))}}$データを用いても、4つのシナリオのうち3つにおいて、muonフレーバーの$\Delta C_9^\mu$のずれは$4\sigma$レベルで有意である。
• $\Delta C_9^\mu$について、ウィルソン係数におけるレプトンフレーバーの違いが$1\sigma$レベルで区別可能であり、新しい物理学のカップリングに非ユニバーサリティの兆候がある可能性を示唆している。
• $2\sigma$レベルでは、すべてのオペレーターがフレーバー同一性を保つと整合的であり、現在のデータではフレーバー構造が排除されていないことを示している。
• 数値解析の結果、muon型スカラー型オペレーターにはカイラリティがないことが判明したが、$\mathcal{O}_9^\mu$については$2\sigma$レベルでカイラリティの違いが観測された。
• 本研究の結論として、現在の制約のもとでは、SMEFTにおいて次元6までに$\mathcal{O}_{S,P}^{(\prime)\mu}$が消える必要があると結論づけられる。