[논문 리뷰] A global fit to $b ightarrow cτ\barν$ anomalies after Moriond 2019

Suman Kumbhakar, Ashutosh Kumar Alok외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 2019년 모리온드에서 발표된 업데이트된 벨레 데이터를 사용하여 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 비정상성에 대한 글로벌 피팅을 수행하며, 표준모형과의 갈등을 3.1σ로 감소시켰다. 이는 7개의 타당한 뉴 피직스 해법을 규명하였으며, 각 해법은 서로 다른 라우어츠 구조를 지닌다. 또한 실험적으로 이를 유일하게 구별할 수 있는 다섯 가지 관측량 전략—$P_\tau^D$, $R_D$, 정방향-후방 비대칭성, $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$—을 제안한다.

ABSTRACT

At Moriond 2019, Belle collaboration announced their new measurements on $R_D$ and $R_{D^*}$ which are in agreement with their Standard Model (SM) predictions within $1.2σ$. After inclusion of these measurements, the discrepancy between the world averages and the SM predictions of $R_D$-$R_{D^*}$ comes down from $4.1σ$ to $3.1σ$. Here we do a global fit by taking all measurements in $b ightarrow cτ\barν$ transition. We find that there are seven allowed new physics solutions, each with different Lorentz structure. Further we show that it is possible to distinguish between them by means of the five observables: the $τ$ polarization fraction in the decay $B ightarrow D τ\barν$, the precision measurement of $R_D$, the forward-backward asymmetries in the decays $B ightarrow (D,D^*) τ\barν$ and the branching ratio of $B_c ightarrow τ\barν$.

연구 동기 및 목표

• 2019년 모리온드에서 발표된 신규 벨레 측정치를 바탕으로 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 비정상성의 재평가를 수행한다.
• 최신 $R_D$, $R_{D^*}$, $f_L^{D^*}$ 측정치를 포함함으로써 뉴 피직스 해법에 대한 글로벌 피팅에 미치는 영향을 규명한다.
• $b \to c\tau\bar{\nu}$ 붕괴에서 렙톤 프레어러 유니버설리티 위반을 설명할 수 있는 타당한 뉴 피직스 모델을 규명한다.
• 남아있는 타당한 뉴 피직스 시나리오들을 유일하게 구별할 수 있는 정밀 측정량 세트를 제안한다.
• 각 뉴 피직스 해법이 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu}) < 10\%$ 및 $f_L^{D^*}$ 제약 조건 하에서 타당한지 평가한다.

제안 방법

• 모든 가능한 라우어츠 구조를 포함하는 일반적인 효과적 해밀토니안을 구성하며, 윌슨 계수 $C_i$, $C'_i$, $C''_i$로 매개변수화한다.
• 윌슨 계수의 함수로서 $R_D$, $R_{D^*}$, $R_{J/\psi}$, $P_\tau^{D^*}$, $f_L^{D^*}$, 정방향-후방 비대칭성을 이론적으로 예측한다.
• MINUIT 최적화 팩키지로 글로벌 피팅을 수행하여 실험 데이터와 가장 잘 맞는 윌슨 계수 조합을 도출한다.
• $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu}) < 10\%$ 및 $f_L^{D^*}$ 측정치 제약 조건을 적용하여 물리적으로 타당하지 않거나 배제된 해법을 제거한다.
• 피팅된 윌슨 계수를 사용하여 각 타당한 해법에 대해 다섯 가지 핵심 관측량—$P_\tau^D$, $A_{FB}^D$, $A_{FB}^{D^*}$, $R_D$, $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$—의 예측값을 도출한다.
• 남아있는 일곱 개의 허용된 뉴 피직스 해법을 유일하게 구별할 수 있는 관측량 예측 조합을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2019년 모리온드에서의 신규 벨레 측정치는 $b \to c\tau\bar{\nu}$ 비정상성의 글로벌 유의도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 최신 $R_D$, $R_{D^*}$, $f_L^{D^*}$ 데이터를 포함한 후, 라우어츠 구조에 따라 분류된 뉴 피직스 연산자 중 어떤 것이 여전히 타당한가?
• RQ3 다섯 가지 관측량 $P_\tau^D$, $R_D$, $A_{FB}^D$, $A_{FB}^{D^*}$, $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$ 는 남아있는 뉴 피직스 해법들을 유일하게 구별할 수 있는가?
• RQ4 남아있는 일곱 개의 허용된 뉴 피직스 시나리오 간의 모호성을 해소하기 위해 향후 측정에 필요한 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ5 $f_L^{D^*}$ 및 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$ 예측은 허용된 뉴 피직스 모델에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 2019년 모리온드에서의 신규 벨레 데이터를 포함한 후, 세계 평균 $R_D$ 및 $R_{D^*}$ 측정치와 표준모형 예측 간의 글로벌 갈등은 3.1σ로 감소하였다.
• $f_L^{D^*}$ 측정치인 $0.60 \pm 0.08$ (통계) $\pm 0.04$ (계량), 표준모형 대비 약 1.5σ 높은 값은 이전에 허용되었던 텐서 단독 뉴 피직스 해법을 약 5σ 수준에서 배제한다.
• 모든 제약 조건을 적용한 후 유일하게 타당한 해법으로 일곱 개의 뉴 피직스 해법만 남았으며, 각 해법은 효과적 해밀토니안 내에서 서로 다른 라우어츠 구조 조합을 지닌다.
• $\tau$ 편광 분율 $P_\tau^D$ 는 $\mathcal{O}_{V_L}$ 및 $\mathcal{O}_T$ 해법을 (약 0.35 예측) 나머지 다섯 해법들(약 0.45 예측)과 구별할 수 있으며, 0.1의 정밀도로도 이를 식별할 수 있다.
• 정방향-후방 비대칭성 $A_{FB}^D$ 는 $(\mathcal{O}''_{V_R}, \mathcal{O}''_T)$ 및 $(\mathcal{O}'_{V_R}, \mathcal{O}'_{S_L})$ 해법에서는 음수($\sim -0.24$)이며, 나머지 다섯 해법에서는 양수($\sim 0.33$)이므로 명확한 구별이 가능하다.
• $A_{FB}^{D^*}$ 비대칭성 및 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\bar{\nu})$ 는 추가적인 분류를 제공한다: $(\mathcal{O}''_{V_R}, \mathcal{O}''_T)$ 에서는 $A_{FB}^{D^*} \approx -0.025$, $(\mathcal{O}'_{V_R}, \mathcal{O}'_{S_L})$ 에서는 $-0.120$, 나머지 세 해법에서는 약 $-0.05$이며, 각각 붕괴율은 0.8%, 4.0%, 8.4%로서, 2% 정밀도로도 구별이 가능하다.