[논문 리뷰] Implications of an enhanced $B o K ν\bar ν$ branching ratio

Rigo Bause, Hector Gisbert외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 벨 레이저 II에서 최근 보고한 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 분해율 향상 현상이 표준모형 예측을 3–7배 초과한다는 점을 다루며, 이 이례성이 렙톤의 맛 보편성 위반을 암시함에 따라 새로운 물리가 가벼워야만 가능하다고 주장한다. 이 경우, 타우 렙톤에 선택적으로 결합하는 중간자(예: 렙토퀀크 또는 $Z'$ 보손)가 5–10 테바볼트 범위의 무거운 수준에서 나올 수밖에 없으며, 맛 제약 조건을 만족시키기 위해 비최소 모형 구축이 필요하다.

ABSTRACT

Rare decays mediated by $b o s ν\bar ν$ transitions have been reported by the Belle II experiment. The branching ratio of the decay $B^+ o K^+ ν\bar ν$ is found to be enhanced with respect to the standard model value. If taken at face value, the implications are profound: either lepton flavor universality is violated at the (multi)-TeV-scale, or light new physics is involved. This holds in general if $\mathcal{B}(B^+ o K^+ ν\bar ν)$ exceeds $1.2 \cdot 10^{-5} \, (1.3 \cdot 10^{-5})$ at $1 σ$ ($2 σ$), which tightens with a decreasing upper limit on $\mathcal{B}(B o K^*ν\bar ν)$, that is in reach of the Belle II experiment. In view of the strong constraints on electron-muon universality violation in $|Δb|=|Δs|=1$ processes, viable explanations are heavy, $(5-10)$-TeV tree-level new physics mediators that couple only to tau-flavors, or lepton flavor violating ones. In addition, couplings of similar size to both left- and right-handed quarks are generically required, implying non-minimal BSM sectors which are carefully balanced against flavor constraints. The decay $B_s^0 o ext{invisibles}$ can shed light on whether new physics is light or heavy. In the former case, branching ratios can be as large as $10^{-5}$.

연구 동기 및 목표

• 벨 레이저 II에서 관측된 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 분해율 향상 현상의 모형 독립적 영향을 평가하기 위해.
• 벨 레이저 II의 포함적 태깅 결과를 사용하여 $b \to s \nu\bar{\nu}$ 전이에서 렙톤의 맛 보편성 테스트를 수행하기 위해.
• 이상 현상이 가벼운 새로운 물리인지, 무거운 새로운 물리인지, 특히 $B_s^0 \to \text{비가시성}$ 붕괴 모드를 통해 구분할 수 있는지 결정하기 위해.
• 기존의 맛 물리 제약 조건을 만족시키면서도 이 향상 현상을 설명할 수 있는 타당한 새로운 물리 모형을 제약하기 위해.

제안 방법

• 좌우 편극성 전류 연산자를 포함한 약한 등가 해밀토니안을 통해 $b \to s \nu\bar{\nu}$ 붕괴를 모델링하기 위해.
• 새로운 물리 기여를 파arameter화하기 위해 윌슨 계수 $C^{\nu\nu}'_{L,R}$ 를 사용하기 위해.
• 바우제 등(2021)의 렙톤 보편성 테스트를 벨 레이저 II의 포함적 태깅 결과에 적용하기 위해.
• 경량 새로운 물리 가능성을 배제하기 위해 $R_{K,K^*}$ 와 $B \to K^* \nu\bar{\nu}$ 의 제약 조건을 평가하기 위해.
• 필요한 $b \to s \nu\bar{\nu}$ 진폭을 생성하기 위해 렙토퀀크($S_1, S_3$)와 벡터 싱귤레이터($V_1$)를 포함한 명시적 모형을 구성하기 위해.
• 관측된 분해율 향상에서 질량 척도와 양자역학 결합 상수를 유도하기 위해, 수준에서의 중간자가 $M \sim 5{-}10\,\text{TeV}$ 범위여야 한다고 요구하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벨 레이저 II에서 관측된 $\mathcal{B}(B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}) = (2.3 \pm 0.7) \times 10^{-5}$ 는 렙톤의 맛 보편성 위반을 암시하는가?
• RQ2 맛 제약 조건을 만족시키면서도 이 향상 현상을 설명할 수 있는 최소한의 새로운 물리 모형은 무엇인가?
• RQ3 $B_s^0 \to \text{비가시성}$ 붕괴율은 경량과 무거운 새로운 물리 사이를 구별할 수 있는가?
• RQ4 $B \to K^* \nu\bar{\nu}$ 와 $R_{K,K^*}$ 자료는 보편성과 일치하는 데서, 왜 $B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}$ 는 그렇지 않은가?

주요 결과

• 벨 레이저 II에서의 $\mathcal{B}(B^+ \to K^+ \nu\bar{\nu}) = (2.3 \pm 0.7) \times 10^{-5}$ 결과는 표준모형 예측을 3배에서 7배 정도 초과하며, 이는 $2.7\sigma$ 이상의 편차에 해당한다.
• 1σ 수준에서 $1.2 \times 10^{-5}$ 이상, 2σ 수준에서 $1.3 \times 10^{-5}$ 이상의 분해율은 새로운 물리가 가벼워야만 맛 보편성 위반을 피할 수 있다.
• 타당한 설명을 위해서는 타우 렙톤에만 결합하거나 맛 보편성 위반을 포함하는, $5{-}10\,\text{TeV}$ 범위의 질량을 가진 수준에서의 중간자가 필요하다.
• $S_1$ 과 $\tilde{S}_2$ 렙토퀀크 또는 $S_3$ 삼중항을 사용한 모형은 필요한 $C_L$ 과 $C_R$ 윌슨 계수를 생성할 수 있으며, 순서 수준의 양자역학 결합 상수를 가진 경우 $M \sim 5\,\text{TeV}$ 의 질량 스케일이 요구된다.
• $B_s^0 \to \text{비가시성}$ 붕괴는 새로운 물리의 스케일을 탐지할 수 있으며, 새로운 물리가 가벼울 경우 분해율이 $10^{-5}$ 수준에 도달할 수 있다.
• b \to c\tau\nu 에서의 기여를 상쇄시키고 맛 제약 조건을 만족시키기 위해, 여러 렙토퀀크 표현형이나 벡터 싱귤레이터를 포함한 비최소 모형 구축이 필요하다.