[논문 리뷰] Beyond the Standard Model with Lepton Flavor Universality Violation

Andreas Crivellin, Joaquim Matias|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뉴트리노가 아닌 표준모형을 초월한 새로운 물리학에서 렙톤의 맛 보존 위반(LFUV)을 통해 B-메손 붕괴의 여러 이상현상, 뮤온의 비정상 자기모멘트, 기타 맛 보존 위반 과정을 통합적으로 설명한다. 다양한 실험적 신호들—$ R(K^{(*)}) $ 및 $ R(D^{(*)}) $ 에서부터 $ a_\mu $ 와 이전자기 레이저 공진성까지—이 모두가 뮤온, 전자, 타우 렙톤에 비균일한 결합을 갖는 단일한 새로운 물리(NP) 섹터에 기인함을 보여주며, 향후 입자 충돌기 실험을 위한 탐색에 대한 신뢰도를 크게 높인다.

ABSTRACT

In recent years, exciting (indirect) hints for physics beyond the Standard Model (SM) have been accumulated. In particular, semi-leptonic $B$ decays show deviations from the SM predictions, which, due to the ratios $R(K^{(*)})$ and $R(D^{(*)})$ are obviously related to lepton flavour universality violation (LFUV). However, {we point out} there are more anomalies which admit an interpretation in terms of LFUV: The anomalous magnetic moment of the muon, the Cabibbo angle anomaly, the CMS measurements of non-resonant di-electrons, the difference of the forward-backward asymmetry in $B o D^*\ellν$ and leptonic tau decays. In this letter we discuss the experimental and theoretical status of these anomalies, {compare their strength and weaknesses} and examine {and synthesize} how they can be explained in terms of possible extensions of the SM by new particles and interactions. Even though not all anomalies might be confirmed in the future, this unified view of the anomalies in terms of LFUV significantly strengthens their relevance, which is crucial in order to construct a convincing physics case for future colliders.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 물리학(BSM)을 시사하는 여러 실험적 이상현상을 식별하고 분석하는 것.
• 이상현상들—$ R(K^{(*)}) $ 및 $ R(D^{(*)}) $ 에서부터 $ a_\mu $ 와 이전자기 레이저 신호에 이르기까지—이 모두가 렙톤의 맛 보존 위반(LFUV)의 표현으로 일관되게 해석될 수 있음을 보여주는 것.
• 이러한 이상현상을 비균일한 렙톤 쿠퍼링을 갖는 통합된 BSM 프레임워크로 융합하여 새로운 물리학에 대한 이론적·실험적 동기를 강화하는 것.
• LFUV에서 공통의 기원을 지닌다는 점을 보여줌으로써, 향후 충돌기 실험을 위한 물리적 근거를 강화하는 것.
• LFUV 모델의 맥락에서 각 이상현상의 강점과 약점을 비교 분석하는 것.

제안 방법

• LHCb, Belle, BaBar, CMS의 실험 데이터를 분석하여 $ B \to K^{(*)} \ell^+\ell^- $, $ B \to D^{(*)} \tau \nu $, $ B_s \to \mu^+\mu^- $ 붕괴에서 $ R(K^{(*)}) $ 와 $ R(D^{(*)}) $ 비율을 추출한다.
• 이상적인 뮤온 자기모멘트($ a_\mu $)와 카비보 각도 이상현상(CAA)을 추가적인 LFUV 민감도 관측량으로 평가한다.
• 비공진 상태의 이전자기 레이저 생성($ q\bar{q} \to e^+e^- $)과 $ B \to D^* \ell \nu $에서의 정면-후면 비대칭 차이 $ \Delta A_{\rm FB} $ 를 추가적인 LFUV 지표로 고려한다.
• 다양한 관측량을 종합적으로 피팅하여, SM 예측에 대해 약 20% 수준의 간섭을 견디는 NP 모델이 >7σ 수준에서 선호됨을 보여준다.
• 새로운 벡터, 스칼라, 또는 벡터형 페르미온 매개체를 갖는 효과적 장 이론 모델을 구성하여, 비균일한 결합을 통해 LFUV를 유도한다.
• 이론적 도구로는 형상 인자에 의존하지 않는 비율(예: $ Q_5 = P_5'^\mu - P_5'^e $)과 정밀한 QCD 보정을 사용하여 $ b \to s\ell^+\ell^- $ 붕괴에서 이론적 불확실성을 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 $ R(K^{(*)}) $, $ R(D^{(*)}) $, $ a_\mu $, $ \Delta A_{\rm FB} $ 의 편차들이 단일한 새로운 물리 메커니즘에 의해 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 $ b \to s\ell^+\ell^- $, $ b \to c\tau\nu $, $ a_\mu $ 의 이상현상들이 렙톤의 맛 보존 위반(LFUV)을 공통의 기원으로 지향하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 다양한 LFUV 민감도 관측량의 강도와 이론적 탄탄함은 새로운 물리 모델을 제약하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ4 LFUV를 통해 여러 이상현상을 동시에 설명할 수 있는 최소한의 BSM 확장(예: 새로운 게이지 보손, 스칼라 매개체)은 무엇인가?
• RQ5 다양한 LFUV 민감도 관측량의 종합 피팅은 표준모형 대비 새로운 물리의 통계적 유의수준에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $ R(K^{(*)}) $ 와 $ R(D^{(*)}) $ 이상현상은 각각 약 3σ 유의수준이며, 전자 모드보다 뮤온 모드를 강화하는 공통의 NP 기여와 일관된다.
• 뮤온의 비정상 자기모멘트($ a_\mu $) 는 표준모형과 4.2σ의 괴리가 있으며, 뮤온에 특화된 결합을 갖는 $ Z' $ 게이지 보손 또는 스칼라 매개체를 통해 LFUV로 설명될 수 있다.
• 카비보 각도 이상현상(CAA)과 비공진 상태의 이전자기 레이저 신호($ q\bar{q} \to e^+e^- $) 도 LFUV와 일관되며, 공통의 NP 섹터를 시사한다.
• $ B \to D^* \ell \nu $ 에서의 정면-후면 비대칭 차이 $ \Delta A_{\rm FB} $ 는 LFUV에 민감하며, $ R(D^{(*)}) $ 와 $ R(K^{(*)}) $ 이상현상과 일치한다.
• 모든 LFUV 민감도 관측량을 종합한 피팅 결과, SM 예측에 대해 약 20% 수준의 간섭을 견디는 새로운 물리 시나리오가 >7σ 유의수준에서 선호된다.
• 이러한 이상현상들이 LFUV 아래에서 통합됨으로써, 비균일한 렙톤 결합을 갖는 공통의 BSM 섹터를 탐색하기 위한 향후 충돌기 실험에 대한 신뢰도가 크게 향상된다.