[논문 리뷰] $B$ meson anomalies and large $B^{+} o K^{+}ν\barν$ in non-universal $U(1)^\prime$ models

Peter Athron, R. Martinez외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 37인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 렙톤- flavour-비위반 쌍함수를 가진 비보편적 $U(1)'$ 모델이 $B$ 메손 이상 현상과 Belle II의 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 붕괴에서 관측된 $2.8\sigma$의 편차를 동시에 설명할 수 있음을 제안한다. 비대칭 성분을 가진 전하 렙톤 혼합 행렬을 도입함으로써, 이 모델은 표준모형 예측을 초월하여 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$를 증가시키며, 렙톤- flavour-보편적 경우에서는 $10\%$ 증가를 달성하고, 렙톤- flavour-비위반 시나리오에서는 Belle II 데이터와 일치할 수 있을 정도로 충분한 증가를 이룬다. 또한 향후 실험에서 관측 가능한 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 붕괴를 예측한다.

ABSTRACT

In view of both the latest LHCb measurement of $R_{K^{(*)}}$ and the new $2.8σ$ deviation reported by Belle II on $B^{+} o K^{+}ν\barν$ decays, we present a fit to the $B$ meson anomalies for various one and two dimensional hypothesis including complex Wilson coefficients. We show in a model-independent way that the generic non-universal $U(1)^{\prime}$ extensions of the SM, without flavour violation, fail to simultaneously fit those observables and corroborate that they can modify $\mathrm{BR}(B^{+} o K^{+}ν\barν)$ up to only a $10\%$. In view of this deficit, we propose a new way in which those models can accommodate the data at tree level by introducing lepton flavour violating couplings and non-diagonal elements of the charged lepton mixing matrix, with implications in future charged lepton flavour violation searches.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측과 새로운 Belle II 측정치인 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 이전에 $\leq10\%$의 증가만 가능하다고 여겨졌던 비보편적 $U(1)'$ 모델이 관측된 이상 현상을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 트리 수준에서 더 큰 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 증가를 가능하게 하는 렙톤- flavour-비위반 쌍함수와 비대칭 성분이 포함된 전하 렙톤 혼합 행렬의 역할을 탐색하기 위해.
• 특히 향후 실험에서 관측 가능한 전하 렙톤- flavour-비위반 붕괴, 특히 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$를 예측하기 위해.

제안 방법

• 최신 LHCb의 $R_{K^{(*)}}$ 데이터와 Belle II의 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 측정치를 포함한 $b\to s\ell\ell$ 및 $b\to s\nu\bar{\nu}$ 관측치에 대해 5차원 전역 피팅을 수행한다.
• flavio 패키지를 사용하여 윌슨 계수를 계산하고, 렙톤- flavour-보편적(LFUV) 및 렙톤- flavour-비위반(LFV) 쌍함수를 가진 $U(1)'$ 모델의 매개변수 공간으로 매핑한다.
• $B_s$-$\overline{B}_s$ 혼합, 중성미자 트라이드론 생성, $\mu\to e\gamma$ 붕괴로부터의 제약 조건을 적용하여 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 전하 렙톤 혼합 행렬의 비대칭 성분이 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 붕괴 분율과 CLFV 붕괴에 미치는 영향을 분석한다.
• He:2021yoz에서 유도된 이론적 표현을 사용하여 향후 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 및 $B^+\to K^+\ell^\pm\ell'^\mp$ 붕괴의 발견 가능성을 예측한다.
• $\chi^2$ 함수에 이차 근사법을 적용하여 윌슨 계수를 모델 매개변수로 매핑한다.

Figure 1: Global fits showing $1\sigma$ (lighter colours) and $2\sigma$ (darker colours) regions of the $b\to s\ell^{+}\ell^{-}$ data available from LHCb (bright blue), CMS (green), ATLAS (orange), Belle and BaBar (both combined and displayed in blue). Given that the vast majority of observables com

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프톤- flavour-보편적 쌍함수를 가진 비보편적 $U(1)'$ 모델이 Belle II의 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$ 측정치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 레프톤- flavour-보편적 $U(1)'$ 모델에서 새로운 flavor 구조를 도입하지 않고도 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$의 최대 증가율은 얼마인가?
• RQ3 어떻게 $U(1)'$ 모델의 렙톤- flavour-비위반 쌍함수와 비대칭 성분이 $B^+\to K^+\nu\bar{\nu}$의 더 큰 증가를 가능하게 하는가?
• RQ4 타당한 매개변수 공간 내에서 $B_s\to e^\pm\mu^\mp$와 같은 전하 렙톤- flavour-비위반 붕괴에 대한 예측은 무엇인가?
• RQ5 이러한 모델에서 $Z'$ 보손은 향후 입자 충돌기, 예를 들어 뮤온 충돌기 또는 Belle II와 LHCb 업그레이드 II에서의 $B_s$ 붕괴를 통해 탐지될 수 있는가?

주요 결과

• 렙톤- flavour-보편적 $U(1)'$ 모델은 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$를 최대 $10\%$까지 증가시킬 수 있으며, 이는 Belle II의 $2.8\sigma$ 편차를 설명하기에는 부족하다.
• 전하 렙톤 혼합 행렬에 $\mathcal{O}(0.4)$ 정도의 비대칭 성분을 도입하면, $U(1)'$ 모델이 Belle II 데이터와 일치할 수 있을 정도로 충분한 $\mathrm{BR}(B^+\to K^+\nu\bar{\nu})$ 증가를 생성할 수 있다.
• $\mu\to e\gamma$ 제약 조건은 특히 $\{X_L^\mu, X_L^\tau\}$ 및 $\{X_R, X_L^e\}$ 평면에서 타당한 매개변수 공간을 상당히 제한하지만, $1\sigma$ 범위 내에서 $Z'$ 질량이 2–8 TeV 범위에 있을 수 있다.
• $B_s\to e^\pm\mu^\mp$ 붕괴 모드는 향후 실험에서 관측 가능할 정도의 붕괴 분율을 예측한다. 특히 Belle II와 LHCb 업그레이드 II에서 매우 유망하다.
• $B_s\to \mu^\pm\tau^\mp$ 붕괴 역시 관측 가능하며, $e^\pm\mu^\mp$ 채널에서 강력한 발견 가능성이 있다.
• 모델 독립적 피팅 결과에서 표준모형에서의 $5.9\sigma$ 편향이 확인되어 이상 현상의 중요성과 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 필요성을 재확인한다.

Figure 2: Fits to the $B$ meson anomalies with complex Wilson coefficients. Left: $\{\textrm{Re}(C_{9}^{\mu\mu}),\>\textrm{Im}(C_{9}^{\mu\mu})\}$ scenario with $\Delta\chi^{2}=13.5$ and $\textrm{Pull}_{\textrm{SM}}=4.8\sigma$ . Right: $\{\textrm{Re}(C_{9}^{\mu\mu})=\textrm{Re}(C_{9}^{ee}),\>\textrm{