[論文レビュー] When Energy Goes Missing: New Physics in $b o sνν$ with Sterile Neutrinos

Tobias Felkl, A. Giri+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、Belle IIで観測された$B^+ \to K^+ + \text{inv}$崩壊の過剰分が、$\nu$ SMEFTフレームワーク内での質量を有するステアラルニュートリノによる$ b \to s\nu\bar{\nu} $遷移によって説明可能であると提唱している。全$B\to K^{(*)}+\text{inv}$モード、不活性$B_s$崩壊、および電荷現在$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$データと整合するパラメータ領域を同定し、有効オペレーターのUV完備化を提供している。

ABSTRACT

Belle II recently reported the first measurement of $B^+ o K^++\mathrm{inv}$, which is $2.8σ$ above the Standard Model prediction. We explore the available parameter space of new physics within Standard Model effective field theory extended by sterile neutrinos ($ν$SMEFT) and provide predictions for the other $B o K^{(\star)}+\mathrm{inv}$ decay modes and invisible $B_s$ decays. We also briefly comment on charged current decays $B o D^{(\star)}\ell\barν$ and possible ultraviolet completions of the relevant $ν$SMEFT operators.

研究の動機と目的

• Belle IIで観測された$B^+ \to K^+ + \text{inv}$崩壊過剰分（標準模型予測を3σ上回る）を、ステアラルニュートリノを含む新しい物理によって説明すること。
• 他の$B\to K^{(*)}+\text{inv}$モードや不活性$B_s$崩壊の非観測と、$B^+ \to K^+ + \text{inv}$過剰分との間に生じる矛盾を解消すること。
• 有効場理論解析において、ステアラルニュートリノの完全な質量依存性を考慮し、従来の質量無視近似を超えること。
• $\nu$ SMEFTフレームワーク内で、$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$崩壊と$B_s$不活性崩壊の両方の制約を同時に満たすパラメータ領域を同定すること。
• 有効オペレーターの理論的整合性と再正則化可能性を保証するため、$\nu$ SMEFTモデルにおける有効オペレーターのUV完備化を提供すること。

提案手法

• $\mu = 1$ TeVにおける$\nu$ SMEFTフレームワークを定式化し、ステアラルニュートリノを含む四フェルミオンオペレーター$\mathcal{O}^{\rm QN}, \mathcal{O}^{\rm dN}, \mathcal{O}^{\rm LNQd}, \mathcal{O}^{\rm LNQdT}$を、ステアラルニュートリノ質量の完全な依存性を含めて含める。
• 電弱スケールにおける低エネルギー有効理論（LEFT）への$\nu$ SMEFTオペレーターのマッチングを、ランゲージ群の走査による連続的変換を用いて行い、ベクトル、スカラー、テンソル、およびパラメータスカラー相互作用を保持する。
• $S,P,V,A,\mathcal{T}$基底におけるウィルソン係数を表現し、左・右ヘンドネートルの電流を区別し、ニュートリノインデックスの対称化および反対称化によりフレーバー対称性を考慮する。
• $B_s \to \nu_\alpha\nu_\beta$の分岐比を、完全なフォーム因子依存性と$S,P,V,A,\mathcal{T}$基底を用いて計算し、オペレーター間の干渉項を含む。
• $B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$崩壊、不活性$B_s$崩壊、および他の$B\to K^{(*)}+\text{inv}$モードからの制約を適用し、許容可能なパラメータ空間を制限する。
• ゲージシングレットフェルミオンとスカラー媒介子を用いて、有効オペレーターのUV完備化を構築し、$\nu$ SMEFT構造と整合するようにする。

Figure 1: Differential branching ratio as a function of the missing invariant mass squared $q^{2}$ for vector (blue), scalar (red) and tensor (black) operators. All Wilson coefficients are fixed to $C=0.01\,\mathrm{TeV}^{-2}$ at $\mu=1$ TeV and the SM contribution is taken into account. The solid li

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステアラルニュートリノの寄与が、完全な質量依存性を含む$\nu$ SMEFTフレームワーク内において、$B^+ \to K^+ + \text{inv}$崩壊過剰分を説明可能か。
• RQ2 $B^+ \to K^+ + \text{inv}$過剰分と他の$B\to K^{(*)}+\text{inv}$モードの非観測との両方に整合する、ステアラルニュートリノの結合定数および質量の組み合わせは何か。
• RQ3 不活性$B_s$崩壊と$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$崩壊からの制約が、ステアラルニュートリノモデルの許容可能なパラメータ空間をどのように制限するか。
• RQ4 ステアラルニュートリノ結合を実現する、$\nu$ SMEFTにおける有効オペレーターのUV完備化は、どのようにして再正則化可能な量子場理論として実現されるか。
• RQ5 スカラーおよびテンソルオペレーターが、$B^+ \to K^+ + \text{inv}$崩壊振幅にどの程度寄与するか、そして分岐比にどのように影響を与えるか。

主な発見

• $B^+ \to K^+ + \text{inv}$崩壊過剰分は、$\nu$ SMEFTにおけるステアラルニュートリノの寄与によって説明可能であり、主に$\mathcal{O}^{\rm LNQdT}$テンソルオペレーターからの寄与が支配的である。
• 許容可能なパラメータ領域では、$B^+ \to K^+ + \text{inv}$の分岐比が$\sim 2.4 \times 10^{-5}$に達し、Belle IIの測定値と3σの有意性と整合する。
• 不活性$B_s$崩壊と$B\to D^{(*)}\ell\bar{\nu}}$崩壊からの制約は、特に$m_N \lesssim 100$ MeVの領域で、許容可能なステアラルニュートリノ質量および結合定数を顕著に制限する。
• $B_s \to \nu_\alpha\nu_\beta$の分岐比は、$A$および$P$カレント寄与に敏感であり、許容可能なパラメータ領域では$\mathrm{BR}(B_s \to \nu_\alpha\nu_\alpha) \lesssim 10^{-6}$である。
• 有効オペレーターのUV完備化は、ゲージシングレットフェルミオンとスカラー媒介子を用いて実現され、$\mathcal{O}^{\rm LNQdT}$オペレーターは$Z'$に類似したゲージボソンまたはスカラー交換によって生じる。
• 本分析により、スカラーおよびテンソルオペレーターが完全な記述において不可欠であることが示された。ステアラルニュートリノ質量が非ゼロである場合、これらは$B^+ \to K^+ + \text{inv}$振幅に顕著な寄与を示す。

Figure 2: The red (green) contour line stands for the present bound on BR( $B^{0}\to K^{\star 0}(K^{0})+\mathrm{inv}$ ), and the respective regions above these lines are therefore ruled out. The light-blue band symbolises the simple weighted average for BR( $B^{+}\to K^{+}+\mathrm{inv}$ ), and the h