[논문 리뷰] Exploring $R_D$, $R_{D^{\ast}}$ and $R_{J/Ψ}$ anomalies

Rupak Dutta|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 $\mu = m_b$에서 모델 독립적인 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여 $b \to c\tau\nu$ 붕괴에서의 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$ 비정상성들을 조사한다. 이는 $\widetilde{V}_L$, $\widetilde{V}_R$, $\widetilde{T}_L$, 및 $T_L$ 결합을 포함하는 여러 새로운 물리 현상 시나리오들을 식별하여 실험 데이터의 1$\sigma$ 이내에서 세 비정상성을 동시에 설명하며, 향후 검증을 위한 $\tau$ 스핀 분율을 예측한다.

ABSTRACT

Deviations from the standard model predictions have been reported in various observables concerned with the lepton flavor universality. At present, the deviation of the measured values of $R_D$ and $R_{D^{\ast}}$ from the standard model expectation is exceeded by $2.3σ$ and $3.4σ$, respectively. Very recently LHCb has measured the ratio of branching ratio $R_{J/Ψ} = \mathcal B(B_c o J/Ψτν)/\mathcal B(B_c o J/Ψ\,l\,ν)$, where $l \in (e,\,μ)$, to be $0.71\pm0.17\pm 0.18$ which is at more than $2σ$ away from the standard model prediction. We investigate the anomalies in $R_D$, $R_{D^{\ast}}$, and $R_{J/Ψ}$ using a model independent framework with minimal number of new physics couplings. We find various new physics models that can explain these anomalies within $1σ$.

연구 동기 및 목표

• 모델 독립적인 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$에서 지속적인 렙톤 쿼크 유니버설리티 위반 현상을 조사한다.
• 관측된 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$의 편차를 실험적 불확도 내에서 동시에 설명할 수 있는 최소한의 새로운 물리 결합의 집합을 규명한다.
• $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu)$로부터의 간접적 제약 조건을 사용하여 타당한 새로운 물리 모델을 제약하며, $B_c$ 메손 수명 측정치와의 일관성을 확보한다.
• 향후 실험적 검증을 위해 $B \to D^*\tau\nu$, $B_c \to J/\Psi\tau\nu$, 및 $B \to D\tau\nu$ 붕괴에서의 $\tau$ 스핀 분율 $P_\tau$를 다양한 새로운 물리 시나리오 하에 예측한다.

제안 방법

• $\mu = m_b$에서 $b \to c\ell\nu$ 전이에 대한 가장 일반적인 효과적 라그랑지안을 구성하며, 왼쪽과 오른쪽 수동성의 모든 가능한 벡터, 스칼라, 텐서 결합을 포함한다.
• 형상 인자와 $B$ 및 $B_c$ 붕괴의 운동학적 제약 조건을 포함하여 효과적 라그랑지안을 사용해 브랜치 비율 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$를 평가한다.
• 55개의 별개의 새로운 물리 시나리오—단일 및 이중 연산자의 조합—에 대해 $\chi^2$ 최소화를 수행하여 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$에 대한 최적의 매개변수를 찾는다.
• 과도한 NP 기여로 인한 $B_c$ 붕괴 폭 증가를 방지하기 위해 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu) \leq 10\%$로부터의 간접적 제약 조건을 적용한다.
• 각 타당한 NP 시나리오 하에서 $B \to D^*\tau\nu$, $B_c \to J/\Psi\tau\nu$, 및 $B \to D\tau\nu$ 붕괴에서의 $\tau$ 스핀 분율 $P_\tau$를 계산하여 향후 측정을 안내한다.
• 95% 신뢰수준에서 $(V_R, \widetilde{T}_L)$, $(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$, 및 $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$의 允許된 매개변수 영역을 시각화하고, 실험적 $1\sigma$ 범위와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 새로운 물리 결합의 조합이 실험 측정치의 1$\sigma$ 이내에서 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$ 비정상성을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu)$로부터의 간접적 제약 조건은 타당한 새로운 물리 매개변수 영역을 어떻게 제한하는가?
• RQ3 최적의 새로운 물리 시나리오 하에서 $B \to D^*\tau\nu$, $B_c \to J/\Psi\tau\nu$, 및 $B \to D\tau\nu$ 붕괴에서의 $\tau$ 스핀 분율 $P_\tau$의 예측 값은 무엇인가?
• RQ4 95% 신뢰수준에서 새로운 물리 매개변수 영역(예: $\widetilde{V}_L$, $\widetilde{T}_L$)의 허용 영역은 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$의 측정된 값과 어떻게 상관관계를 가지는가?

주요 결과

• $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$ 및 $(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$ 시나리오는 각각 $\chi^2_{\rm min} \approx 0.11$ 및 $0.13 \times 10^{-1}$을 기록하며, $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$에 대해 최적의 맞춤을 보이며, 모든 관측량이 실험 데이터의 1$\sigma$ 이내에 있다.
• $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$ 시나리오는 $R_D = 0.405$, $R_{D^*} = 0.306$, $R_{J/\Psi} = 0.635$, 및 $P_\tau^{D^*} = -0.427$를 예측하며, 모두 측정치의 1$\sigma$ 이내에 있다.
• $(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$ 시나리오는 $R_{J/\Psi} = 0.686$를 예측하며, LHCb 측정치인 $0.71 \pm 0.18$와 일치하고, $P_\tau^{D^*} = -0.446$는 향후 실험에서 검증될 수 있다.
• $\chi^2$ 최소화 시나리오인 $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$는 $\mathcal{B}(B_c \to \tau\nu) = 0.26 \times 10^{-1}$을 도출하며, $B_c$ 수명 제약 조건에서의 $10\%$ 한계 이내에 있다.
• $(\widetilde{V}_L, \widetilde{T}_L)$, $(\widetilde{V}_R, \widetilde{T}_L)$, 및 $(V_R, \widetilde{T}_L)$의 허용된 매개변수 영역은 95% 신뢰수준에서 $R_D$, $R_{D^*}$, 및 $R_{J/\Psi}$의 $1\sigma$ 실험 범위와 완전히 겹친다.
• 이 연구는 향후 $P_\tau^{D^*}$, $P_\tau^D$, 및 $P_\tau^{J/\Psi}$의 정밀 측정이 경쟁적인 새로운 물리 모델을 구분하는 데 핵심적일 것임을 예측한다.