[논문 리뷰] $B$ anomalies in the post $R_{K^{(*)}}$ era

Tobias Hurth, F. Mahmoudi외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최신 LHCb 및 CMS 측정치를 바탕으로 $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ 비정상성의 상태를 재평가하며, 이제 $R_K$ 및 $R_{K^*}$에서 표준모형과 일치함을 확인하여 새로운 물리학이 렙톤-플레이벌 유사성 여야 한다는 제약 조건을 부과한다. 모형 독립적인 효과적 장 이론 접근법을 통해 나머지 각도 관측량과 붕괴율의 긴장이 유일한 윌슨 계수 $C_9$로 가장 잘 설명됨을 보여주며, 더 복잡한 시나리오에서는 유의미한 향상이 없다고 한다.

ABSTRACT

We discuss the status of $b o s \ell^+\ell^-$ decays in the post-$R_{K^{(*)}}$ era. The recent LHCb update of $R_K$ and $R_{K^*}$ measurements which are now compatible with the Standard Model, constrain new physics contributions to be lepton flavor universal, allowing only small deviations from this limit. Besides the latest LHCb measurements of $R_K$ and $R_{K^{*}}$, we also include the recent CMS measurements of $R_K$ and of the branching ratio of $B^+ o K^+ μ^+μ^-$. We present a model-independent analysis of the $b o s \ell^+ \ell^-$ data and investigate the implications of the different sets of observables. In addition, we consider multi-dimensional fits and discuss the significance of more complex new physics scenarios compared to one- and two-dimensional scenarios.

연구 동기 및 목표

• 최신 LHCb 및 CMS 데이터에서 $R_K$와 $R_{K^*}$가 이제 표준모형과 일치함을 감안하여 $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ 비정상성을 재평가하는 것.
• 현재 데이터로 인해 새로운 물리학 기여에서 렙톤-플레이벌 유사성이 강하게 제약을 받는지 확인하는 것.
• 남아 있는 각도 관측량과 붕괴율의 긴장이 지배적인 새로운 물리학 기여로 $C_9$가 얼마나 중요한지 평가하는 것.
• 추가 윌슨 계수를 포함한 더 복잡한 새로운 물리학 시나리오가 더 단순한 모델보다 유의미하게 더 나은 피팅을 제공하는지 테스트하는 것.
• PDG 2022 CKM 매개변수와 최신 실험 입력(예: $\text{BR}(B^+\to K^+\mu^+\mu^-)$)을 사용하여 분석을 업데이트하는 것.

제안 방법

• 약한 효과 해밀토니안에서 윌슨 계수를 사용하여 $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ 붕괴에 대한 모형 독립적인 효과적 장 이론 분석을 수행한다.
• 다양한 관측량 세트에 대한 일변량 및 이변량 피팅을 수행한다: (1) 청소된 비율 $R_K$, $R_{K^*}$, $B_{s,d}\to\ell^+\ell^-$, (2) 각도 관측량과 붕괴율.
• 모든 관련 윌슨 계수, 특히 치라리티-뒤집힌(프라임된) 연산자를 포함한 12차원 피팅을 적용한다.
• 모델 개선의 p-값과 유의수준을 계산하기 위해 윌크스 정리를 사용하며, 중첩된 시나리오 간의 $\chi^2$ 차이를 통해 비교한다.
• PDG 2022에서 업데이트된 CKM 매개변수를 적용하고, 최근의 CMS 측정치인 $R_K$ 및 $\text{BR}(B^+\to K^+\mu^+\mu^-)$를 포함한다.
• 수치 계산에 SuperIso 공개 프로그램을 사용하며, 비인과적 보정 항에 대해 10%의 불확도를 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 LHCb 및 CMS 측정치에서 $R_K$와 $R_{K^*}$가 새로운 물리학 기여에서 렙톤-플레이벌 유사성을 얼마나 강하게 제약하는가?
• RQ2 만약 $R_K$와 $R_{K^*}$가 이제 표준모형과 일치한다면, 배제된 $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ 붕괴의 각도 관측량과 붕괴율에서 지속되는 긴장은 여전히 새로운 물리학으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 $C_9$가 관측된 비정상성을 설명하는 데 충분한가, 아니면 더 많은 윌슨 계수를 추가함으로써 유의미한 향상이 이루어지는가?
• RQ4 $C_9$를 초월한 추가적인 새로운 물리학 자유도를 도입할 경우 데이터를 설명하는 데 통계적으로 유의미한 개선이 이루어지는가?
• RQ5 업데이트된 CKM 매개변수와 새로운 실험 입력이 $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ 관측량의 전반적인 피팅에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최신 LHCb 측정치에서 $R_K([0.1-1.1])=0.994^{+0.090}_{-0.082}$ 및 $R_{K^*}([1.1-6.0])=1.027^{+0.072}_{-0.068}$는 이제 표준모형과 일치하며, 렙톤 비유사성의 뜻하는 바는 약 $\sim 4.7\sigma$로 감소한다.
• 청소된 관측량인 $R_K$, $R_{K^*}$, $\text{BR}(B_s\to\mu^+\mu^-)$는 새로운 물리학이 렙톤-플레이벌 유사성임을 제약하며, 허용 가능한 편차는 매우 작다.
• 윌슨 계수 $C_9$는 저에너지 영역에서 각도 관측량과 붕괴율의 남아 있는 긴장을 설명하는 데 지배적인 새로운 물리학 기여로 확인된다.
• 모든 윌슨 계수(포함하여 프라임된 항)를 포함한 12차원 피팅은 $\chi^2_{\text{min}}=222.5$를 얻으며, 표준모형에서 $4.7\sigma$의 풀링을 보여, 중간 정도의 긴장이 존재함을 시사한다.
• 윌크스 테스트 결과, $C_9$를 초월한 새로운 물리학을 추가해도 유의미한 개선이 없으며, 다음으로 마지막 모델의 p-값은 단지 $0.1\sigma$의 향상만을 나타낸다.
• 두 연산자 피팅 $\{C_9^\mu, C_{10}^\mu\}$는 렙톤-플레이벌 위반 성격을 지니며, 새로운 $R_{K^{(*)}}$ 데이터와 모순되어 기각된다.