[논문 리뷰] Charming Penguins and Lepton Universality Violation in $b o s \ell^+ \ell^-$ decays

M. Ciuchini, Marco Fedele외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 데이터 기반의 캐러미크 펜터(chaoming penguin) 기여를 사용하여 b → sℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에서 렙톤 대칭성 위반(LUV)을 조사한다. LHCb의 B → K(⁎)ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴 데이터를 분석함으로써, 현재의 데이터는 캐러미크 펜터 진폭의 비자명한 q² 및 스핀 상태 의존성에 대한 증거를 보이며, 벡터성 보다 왼쪽 편향 또는 축성 렙톤 결합을 선호하는 뉴 피직스(NP) 모델을 지지한다. 이는 신뢰할 수 있는 NP 추론을 위해 보수적인 강입자 불확실성의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

The LHCb experiment has recently presented new results on Lepton Universality Violation (LUV) in $B ightarrow K^{(*)} \ell ^+ \ell ^-$ decays involving $K_S$ in the final state, which strengthen the recent evidence of LUV obtained in $B^+ ightarrow K^{+} \ell ^+ \ell ^-$ decays and the previous measurements of $B ightarrow K^{*0} \ell ^+ \ell ^-$. While LUV observables in the Standard Model are theoretically clean, their predictions in New Physics scenarios are sensitive to the details of the hadronic dynamics, and in particular of the charming penguin contribution. In this work, we show how a conservative treatment of hadronic uncertainties is crucial not only to assess the significance of deviations from the Standard Model but also to obtain a conservative picture of the New Physics responsible for LUV. Adopting a very general parameterization of charming penguins, we find that: (i) current data hint at a sizable $q^2$ and helicity dependence of charm loop amplitudes; (ii) conservative NP solutions to B anomalies favour a left-handed or an axial lepton coupling rather than a vector one.

연구 동기 및 목표

• . 현재 LHCb의 b → sℓ⁺ℓ⁻ 붕괴 데이터에서 캐러미크 펜터 진폭의 비자명한 q² 및 스핀 상태 의존성이 존재하는지 평가하기 위해.
• . 특히 캐러미크 루프 행렬 요소에서 비롯된 강입자 불확실성이 렙톤 대칭성 위반에서 뉴 피직스(NP) 추론에 어떻게 영향을 미치는지 파악하기 위해.
• . 데이터 기반, 모형 의존적 방식의 캐러미크 펜터 기여를 비교하고, NP 시나리오 선택에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• . RK 및 RK* 측정치 간의 괴리 현상에 비추어, LUV 데이터와 호환되는 가장 보수적이고 강력한 NP 시나리오를 규명하기 위해.
• . 향후 LHC와 Belle II의 고정밀도 데이터를 NP 기원으로서 LUV를 해석할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• . 캐러미크 루프에서 기인하는 비요약화 가능한 QCD 고차항 보정의 일반적이고 q² 및 스핀 상태에 의존하는 매개변수화를 사용한다.
• . B → K(⁎)ℓ⁺ℓ⁻ 붕괴에 대한 LHCb 실험 데이터를 활용하며, 이는 미분 붕괴율과 각도 분포를 포함한다.
• . 짧은 거리 NP 윌슨 계수와 장거리 캐러미크 펜터 기여를 동시에 제약하는 전반적 피팅을 수행한다.
• . 세 가지 접근 방식을 비교한다: 데이터 기반(비매개변수형), 모형 의존적(참고 문헌 [34] 기반), 모형 의존적(참고 문헌 [67] 기반)으로 캐러미크 펜터 행렬 요소를 처리한다.
• . 각 가정 하에 NP 계수에 대한 사후 확률 밀도 함수(p.d.f.s)를 계산하기 위해 베이지안 추론을 적용한다.
• . 정보 기준(IC)과 사후 윤곽선을 활용하여 NP의 유의미성을 평가하고, 모형이 데이터와 얼마나 잘 맞는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 현재 b → sℓ⁺ℓ⁻ 붕괴 데이터는 캐러미크 펜터 진폭의 비자명한 q² 및 스핀 상태 의존성이 존재하는가?
• RQ2 . 특히 캐러미크 펜터 기여에서 비롯된 강입자 불확실성의 처리 방법이 추론되는 뉴 피직스 시나리오에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 . 보수적인 강입자 모형을 고려할 때, LUV를 설명하기 위해 선호되는 NP 구조(예: 벡터성, 축성, 왼쪽 편향)는 무엇인가?
• RQ4 . 캐러미크 펜터 진폭의 매개변수화 방법의 선택에 따라 결과가 어떻게 달라지는가?
• RQ5 . 보수적인 강입자 불확실성 추정치 하에서, 현재 데이터가 가장 강하게 지지하는 NP 시나리오는 무엇인가? (예: C9, C10, 또는 CLQ2223이 비영일 경우)

주요 결과

• . 현재 데이터는 캐러미크 펜터 진폭의 비자명한 q² 및 스핀 상태 의존성이 존재함을 강력히 시사하며, 국소 행렬 요소를 초월한 상당한 장거리 효과를 시사한다.
• . 보수적인 NP 해법은 벡터성 결합(CNP9)보다 왼쪽 편향 또는 축성 렙톤 결합(비영일 경우 CNP10 또는 CLQ2223)을 선호하며, 후자는 강입자 제약 조건에 의해 불리하게 평가된다.
• . 데이터 기반 접근은 비영일 경우 CNP10에 대해 SM 대비 ∆IC = 34를, CLQ2223에 대해서는 33를 기록하여 이 시나리오에 강력한 지지를 보여준다.
• . 참고 문헌 [67] 기반의 모형 의존적 접근은 네 개의 비영일 경우 계수를 포함하는 더 복잡한 NP 시나리오를 선호하며, ∆IC = 98이지만, 단순한 CNP9 전용 시나리오(∆IC = 88)도 타당하다.
• . 사후 분포 분석 결과, 데이터 기반 방법은 CNP9에 대해 0과 호환되는 p.d.f.를 보이고 반면, 참고 문헌 [34] 기반의 모형 의존적 접근은 약간의 비영일 경우 CNP9 선호도를 보인다.
• . 캐러미크 펜터 매개변수화 방법의 선택이 NP 추론에 크게 영향을 미치며, 순수 축성에서 순수 벡터성 NP 결합에 이르기까지 극단적인 경우가 존재함을 시사하며, 정밀한 강입자 모형이 필수적임을 강조한다.