[논문 리뷰] Diquark Explanation of $b o s\ell^+\ell^-$

Andreas Crivellin, M. Kirk|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2023. 09. 13.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy참고 문헌 151인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 나뭇가지가 된 스칼라(다이쿼크)가 나무 수준에서 $(\bar{s}\gamma^\mu P_L b)(\bar{c}\gamma_\mu P_L c)$ 연산자에 대해 월리스 계수를 유도하는 다이쿼크 매개 메커니즘을 제안한다. 이후 이는 비가속도 광자 펜던트를 통해 $C_9$ 계수로 혼합된다. 이 모델은 렙톤-플레버 유니버설 $C_9 \approx -0.5$를 통해 $b\to s\ell^+\ell^-$ 비정상 현상들을 성공적으로 설명하며, $R(K^{(*)})$ 및 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 데이터와 일치한다. 동시에 $\Delta M_s$, $\Delta\Gamma$, $B\to X_s\gamma$, $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합의 제약 조건을 피하고 있으며, 약 500 GeV 정도의 가벼운 다이쿼크 질량을 예측한다.

ABSTRACT

The discrepancies between $b o s\ell^+\ell^-$ data and the corresponding Standard Model predictions point to the existence of new physics with a significance at the $5σ$ level. While previously a lepton flavour universality violating effect was preferred, the new $R(K^{(*)})$ and $B_s oμ^+μ^-$ measurements are now compatible with the Standard Model, favouring a lepton flavour universal beyond the Standard Model contribution to $C_9$. Since heavy new physics is generally chiral, and because of the stringent constraints from charged lepton flavour violation, this poses a challenge for model building. In this article, we point out a novel possibility: a diquark, i.e. a coloured scalar, induces the Wilson coefficient of the $(\bar s γ^μP_L b) (\bar c γ_μP_L c)$ operator at tree-level, which then mixes into $O_9$ via an off-shell photon penguin. This setup allows for a lepton flavour universal effect of $C_9\approx-0.5$, without violating bounds from $ΔM_s$, $ΔΓ$, $B o X_sγ$ and $D^0-\bar D^0$ mixing. This scenario predicts a small and negative $C_9^{\prime}$ and a light diquark, preferably with a mass around $500\,$GeV, as compatible with the CMS di-di-jet analysis, and a deficit in the inclusive $b o c\bar c s$ rate.

연구 동기 및 목표

• B 붕괴에서 지속적인 $b\to s\ell^+\ell^-$ 비정상 현상을 해결하기 위해, 특히 $B\to K\mu^+\mu^-$ 모드에서 $4.7\sigma$ 수준의 $P_5'$ 및 분해율 갈등을 해결한다.
• 충전 렙톤-플레버 비반화(cLFV), 특히 $\mu\to e\gamma$의 엄격한 제약 조건을 피하면서도 렙톤-플레버 유니버설 신물리 모델을 구성하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 색깔을 가진 스칼라(다이쿼크)가 나무 수준에서 $\bar{c}c$ 전류에 결합하여 $b\to s\ell^+\ell^-$ 전이를 매개하는 새로운 메커니즘을 탐색한다. 이후 펜던트 유도 혼합을 통해 $C_9$로 이어진다.
• 최소한의 모델로서 $C_9$ 비정상 현상에 대해 $C_9 \approx -0.5$를 설명하면서도 $B_s\to\mu^+\mu^-$, $\Delta M_s$, $\Delta\Gamma$, $B\to X_s\gamma$ 제약 조건과도 호환되는 타당한 모델을 식별한다.

제안 방법

• 색깔을 가진 스칼라(다이쿼크)가 나무 수준에서 $(\bar{s}\gamma^\mu P_L b)(\bar{c}\gamma_\mu P_L c)$ 연산자에 결합하여, 비유니버설 $C_9$-유사 기여를 생성한다.
• 다이쿼크 유도 연산자가 비가속도 광자 펜던트 도표를 통해 $C_9$ 월리스 계수로 혼합되며, 이는 나무 수준의 $\bar{c}c$ 결합을 유지하면서도 렙톤 유니버설 $C_9$ 기여를 가능하게 한다.
• 모델은 효과적 장 이론 기법을 사용하여 분석되었으며, 다이쿼크 및 쿼크 결합을 포함한 전체 UV 이론으로부터 유도된 루프 함수와 매칭 조건이 사용되었다.
• $\Delta M_s$, $\Delta\Gamma$, $B\to X_s\gamma$, $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합, $\mu\to e\gamma$의 제약 조건은 기존 실험적 한계와 격자 QCD 입력을 사용하여 평가되었다.
• 모델은 작은 음수의 $C_9' \approx -0.1$과 약 500 GeV 정도의 가벼운 다이쿼크 질량을 예측하며, 이는 CMS 이중 제트 공진 상태 검색과 일치한다.
• $B_s$ 수명비와 준비-레프톤 비대칭 $a_{\text{sl}}^s$ 는 일관성을 테스트하기 위해 평가되었지만, 현재 정밀도 한계로 인해 모델과 SM을 구분하기 어려운 상황이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이쿼크 매개 메커니즘이 cLFV 한계를 위반하지 않으면서도 관측된 비정상 현상을 설명할 수 있는 렙톤-플레버 유니버설 $C_9$ 기여를 생성할 수 있는가?
• RQ2 나무 수준의 $\bar{c}c$ 전류에 대한 결합이 어떻게 펜던트 혼합을 통해 $C_9$-유사 효과를 생성할 수 있으며, 다이쿼크 질량과 결합 상수에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 최근 $R(K^{(*)})$ 및 $B_s\to\mu^+\mu^-$ 측정치와의 일관성이 있는가? 이는 이제 렙톤-플레버 유니버설성을 지지한다.
• RQ4 $\Delta M_s$, $\Delta\Gamma$, $B\to X_s\gamma$, $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합에 대한 모델의 영향은 무엇이며, 이러한 엄격한 제약 조건을 피할 수 있는가?
• RQ5 모델은 이중 제트 공진 상태 검색에서 측정 가능한 신호를 예측하는가? 다이쿼크 질량은 CMS 이중 제트 분석과 일치하는가?

주요 결과

• 모델은 렙톤-플레버 유니버설 $C_9 \approx -0.5$를 성공적으로 생성하며, 현재 글로벌 피팅에서 $b\to s\ell^+\ell^-$ 비정상 현상의 주요 설명 요인이다.
• 다이쿼크 유도 연산자가 비가속도 광자 펜던트를 통해 $C_9$로 혼합되며, 나무 수준의 $\bar{c}c$ 결합을 유지하면서도 렙톤 유니버설성을 유지한다.
• 작고 음수인 $C_9' \approx -0.1$을 예측하며, 현재 실험적 한계와 일치하며 새로운 갈등을 유발하지 않는다.
• 약 500 GeV 정도의 가벼운 다이쿼크 질량이 유리하며, 이는 CMS 이중 제트 공진 상태 검색과도 일치한다. 이 검색은 유의미한 신호를 보이지 않지만, 이러한 상태의 존재를 허용한다.
• 다이쿼크 결합의 구조적 특성과 큰 GIM 상쇄 효과의 부재로 인해 $\Delta M_s$, $\Delta\Gamma$, $B\to X_s\gamma$, $D^0$-$\bar{D}^0$ 혼합의 제약 조건을 피한다.
• $B_s$ 수명비와 준비-레프톤 비대칭 $a_{\text{sl}}^s$ 는 SM에서의 예측과 다를 것으로 예측되지만, 현재 실험 정밀도로는 모델과 SM을 구분하기 어렵다.