[논문 리뷰] Constraints on Lepton Universality Violation from Rare $B$ Decays

M. Ciuchini, Marco Fedele외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 업데이트된 LHCb 및 CMS 데이터를 사용하여 희귀 B 붕괴에서 뉴트리노 대칭 위반에 대한 글로벌 베이지안 분석을 수행한다. 특히 $b \to s\ell^+\ell^-$ 전이에서의 렙톤 대칭 위반에 초점을 맞춘다. 수많은 강한 상호작용 재결합 효과를 고려할 경우 데이터는 표준모형과 일치함을 보이며, 렙톤 대칭 위반에 대한 엄격한 제약 조건을 도출한다. 현재 데이터셋에서는 뉴트리노 물리학의 명백한 증거는 발견되지 않았다.

ABSTRACT

The LHCb collaboration has very recently released a new study of $B^+ o K^{+} \ell^+ \ell^-$ and $B o K^{*0} \ell^+ \ell^-$ ($\ell = e,μ$) decays, testing lepton universality with unprecedented accuracy using the whole Run 1 and 2 dataset. In addition, the CMS collaboration has recently reported an improved analysis of the branching ratios $B_{(d,s)} oμ^+μ^-$. While these measurements offer, per se, a powerful probe of New Physics, global analyses of $b o s \ell^+ \ell^-$ transitions also rely on the assumptions about nonperturbative contributions to the decay matrix elements. In this work, we perform a global Bayesian analysis of New Physics in (semi)leptonic rare $B$ decays, paying attention to the role of charming penguins which are difficult to evaluate from first principles. We find data to be consistent with the Standard Model once rescattering from intermediate hadronic states is included. Consequently, we derive stringent bounds on lepton universality violation in $|ΔB | = | ΔS| = 1$ (semi)leptonic processes.

연구 동기 및 목표

• R_K, R_{K^*}, 및 B_{(d,s)}\to\mu^+\mu^- 분해율에 대한 새로운 LHCb 및 CMS 데이터를 바탕으로 $b \to s\ell^+\ell^-$ 전이에서의 뉴트리노 물리 효과를 재평가한다.
• B\to K^{(*)}\ell^+\ell^- 붕괴에서 캬우밍 펜타곤과 강한 상호작용 재결합의 역할을 평가한다. 이는 처음부터 계산하기 어려운 비표준 효과이다.
• SMEFT 프레임워크 내에서의 글로벌 피팅을 통해 $|\Delta B|=|\Delta S|=1$ 반반파괴 과정에서의 렙톤 대칭 위반에 대한 모델 독립적 제약 조건을 유도한다.
• 비표준 강입력 기여를 추정하는 데 있어서 데이터 기반 접근과 모델 의존적 접근의 비교를 수행한다. 특히 $\Delta C_{9,3}$ 및 $\Delta C_9$ 에 중점을 둔다.

제안 방법

• LHCb 및 CMS의 전체 런 1 및 런 2 데이터셋을 사용하여 글로벌 베이지안 분석을 수행하며, R_K, R_{K^*}, 및 B_{(d,s)}\to\mu^+\mu^- 분해율을 포함한다.
• 강한 상호작용 재결합 효과는 B\to K^{(*)}\ell^+\ell^- 진폭의 데이터 기반 파arametrization을 통해 포함되며, 복소수 매개변수 h_{B\to K}^{(1)} 및 h_{B\to K}^{(2)} 를 사용한다.
• 캐러밍 펜타곤의 비표준 기여는 데이터 기반 피팅과 QCDF 및 빛의 경로 합성 규칙을 통한 이론적 추정치를 모두 사용하여 모델링한다.
• 표준모형 효과 이론(SMEFT) 프레임워크를 사용하여 뉴트리노 물리 기여를 윌슨 계수 C_9^{\rm NP}, C_{10}^{\rm NP}, 및 C_9^{\rm NP,3} 를 통해 기술한다.
• 편향을 방지하기 위해 강입력 매개변수에 계층적 사전 확률을 적용하며, 이 범위는 충분히 넓어 피팅 결과에 영향을 주지 않는다.
• 마르코프 체인 몬테카를로 방법을 사용하여 사후 분포를 계산하고, 주요 강입력 및 뉴트리노 물리 기여에 대해 68% 최고 사후 밀도 구간(HPDI)을 보고한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상호작용 재결합 효과를 포함한 업데이트된 LHCb 및 CMS 데이터를 바탕으로, 희귀 B 붕괴에서 렙톤 대칭 위반의 증거가 있는가?
• RQ2 특히 중간 강입력 상태에서 기인하는 강한 상호작용 재결합 효과는 표준모형과 실험 데이터를 얼마나 잘 조율하는가?
• RQ3 비표준 기여를 추정하는 데 있어서 데이터 기반 접근과 모델 의존적 접근의 비교는 어떻게 이루어지는가? 특히 $\Delta C_{9,3}$ 와 같은 기여에 중점을 두어 분석한다.
• RQ4 b\to s\ell^+\ell^- 전이에 대한 뉴트리노 물리 기여에 대해 가장 엄격한 제약 조건은 무엇인가? 특히 R_K 및 R_{K^*} 에서의 제약 조건을 중심으로 한다.
• RQ5 단일한 뉴트리노 물리 기여가 관측된 R_K 및 R_{K^*} 이질성을 설명할 수 있는가? 아니면 업데이트된 데이터에 의해 이제는 이에 대한 지지가 약화되었는가?

주요 결과

• 강한 상호작용 재결합 효과를 포함한 업데이트된 LHCb 및 CMS 데이터는 표준모형과 뛰어난 일치를 보이며, 이전의 렙톤 대칭 위반 신호의 유의미성은 감소한다.
• 데이터 기반 접근을 통해 B\to K^* 붕괴에서 |\Delta C_{9,3}(q^2)| 의 68% HPDI 는 q^2=6.0 GeV$^2$ 에서 [1.85, 3.27] 에서부터 q^2=8.0 GeV$^2$ 에서 [1.02, 2.90] 까지 범위를 가지며, QCDF 추정치보다 훨씬 크다.
• B\to K 붕괴의 경우, 데이터 기반의 |\Delta C_9(q^2)| 는 q^2=8.0 GeV$^2$ 에서 [2.80, 6.33] 으로 제약되며, QCDF는 단지 [0.18, 0.28] 으로 예측하여 큰 비표준 효과를 시사한다.
• 글로벌 피팅 결과, R_K 및 R_{K^*} 측정치는 이제 표준모형 예측과 일치하며, R_{K_{[1.1,6]}} = 0.949^{+0.042}_{-0.041} 과 R_{{K^{*}}_{[1.1,6]}} = 1.027^{+0.072}_{-0.068} 로 나타나, 표준모형 기대치 내에 들어간다.
• 강한 상호작용 재결합 효과를 포함함으로써 표준모형이 R_K 이질성을 설명할 수 있으며, 렙톤 대칭 위반을 요구하는 새로운 물리 모델의 필요성이 감소한다.
• 렙톤 대칭 위반에 대한 엄격한 상한 제약 조건이 도출되었으며, q^2=6.0 GeV$^2$ 에서 |\Delta C_{9,3}(q^2)| 는 3.3 이하로 제약된다. 이는 많은 기존 뉴트리노 물리 모델에 도전하는 결과이다.