[논문 리뷰] Investigating the role of new physics in $b \ o c \ au \\bar \ u_\ au$ transitions

S. Sahoo, Rukmani Mohanta|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 새로운 물리학(NP)을 탐지하기 위해 가장 일반적인 효과적 라그랑지안을 사용하여 모델에 종속되지 않는 분석을 수행한다. $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\psi}$, 및 $B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau$ 붕괴 분율 데이터에 대한 전반적인 $\chi^2$ 피팅을 통해 스칼라 및 텐서 코어링—특히 $S_R$ 및 $T$—이 네 개의 $q^2$ 구간에서 각각의 각도 관측량과 렙톤 비보편성 비율에 상당한 영향을 미친다는 것이 밝혀졌으며, 복소수인 $S_R$와 $T$가 가장 민감한 탐지 수단임을 확인하였다.

ABSTRACT

In recent times, the charged-current mediated semileptonic $b \ o c \ au \\bar \ u_\ au$ processes have attracted a lot of attention after the observation of lepton non-universality ratios, $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\\psi}$ and the measurements on $D^*$ and $\ au$ longitudinal polarization fractions in $\\bar B\ o D^* \ au \\bar \ u_\ au$ processes. We present a model-independent analysis of $ \\bar B\ o D^{(*)} \ au \\bar \ u_\ au$, $ B_s\ o D_s^{(*)} \ au \\bar \ u_\ au$, $ B_c^+ \ o (\\eta_c, J/\\psi) \ au^+ \ u_\ au$, $\\Lambda_b \ o \\Lambda_c \ au \\bar \ u_\ au$ and $\\bar B \ o D^{**} \ au \\bar \ u_\ au$ (where $D^{**} = \\{D^*_0, D_1^*, D_1, D_2^*\\}$ are the four lightest excited charm mesons) processes involving $b \ o c \ au \\bar \ u$ quark level transitions by considering the most general effective Lagrangian in the presence of new physics. We perform a global fit to various set of new coefficients, including the measurements on $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\\psi}$ and the upper limit on Br($B_c^+ \ o \ au^+ \\bar \ u_\ au$). We then show the implications of constrained new couplings on the branching fractions, lepton non-universality ratios and various angular observables of these decay modes in four different bins of $q^2$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 전이에서 새로운 물리학의 역할을 조사하기 위해.
• 벡터, 스칼라, 텐서 상호작용을 포함한 가장 일반적인 효과적 라그랑지안을 사용하여 모델에 종속되지 않는 분석을 수행하기 위해.
• $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\psi}$, 및 $B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau$ 붕괴 분율에 대한 실험 데이터에 대한 전반적인 $\chi^2$ 피팅을 통해 새로운 물리학 코어링을 제약하기 위해.
• 네 개의 $q^2$ 구간에서 브링크링 분율, 렙톤 비보편성 비율, 각도 관측량이 새로운 윌슨 계수에 어떻게 민감하게 반응하는지 연구하기 위해.
• $\bar{B} \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$, $B_s \to D_s^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$, $B_c^+ \to \eta_c, J/\psi\,\tau^+\nu_\tau$, $\Lambda_b \to \Lambda_c\tau\bar{\nu}_\tau$, 및 $\bar{B} \to D^{**}\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 어떤 새로운 물리학 연산자—실수 또는 복소수—가 관측량에 가장 크게 영향을 미치는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 모든 가능한 벡터, 스칼라, 텐서 현재 상호작용을 포함하는 일반적인 효과적 라그랑지안을 구성하기 위해.
• 실수 윌슨 계수의 10가지 별개의 조합과 실수/복소수 코어링을 포함한 3가지 경우를 정의하여 매개변수 공간을 탐색하기 위해.
• $R_{D^{(*)}}$, $R_{J/\psi}$, 및 $\text{Br}(B_c^+ \to \tau^+\bar{\nu}_\tau)$ 실험 데이터에 대한 전반적인 $\chi^2$ 최소화 피팅을 수행하기 위해.
• 네 개의 $q^2$ 구간인 $[m_\tau^2, 5]$, $[5, 7]$, $[7, 9]$, 및 $[9, (m_B - m_P)^2]$에서 브링크링 분율, 전방-후방 비대칭, 렙톤 및 하드론 편광 비대칭, 및 $R_{D^{**}}$ 비율을 계산하기 위해.
• 각각의 새로운 물리학 코어링과 그 조합이 각도 관측량에 어떻게 영향을 미치는지 민감도를 분석하고, 각 $q^2$ 구간에서 지배적인 기여를 하는 요소를 규명하기 위해.
• 표준모형 값과의 예측을 비교하고, 이격도를 평가하여 새로운 물리학의 가장 민감한 탐지 수단을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터, 스칼라, 또는 텐서 코어링 중 어떤 새로운 물리학 코어링이 $b \to c\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 렙톤 비보편성 비율 $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{J/\psi}$에 가장 크게 영향을 미치는가?
• RQ2 실수 및 복소수 윌슨 계수가 $\bar{B} \to D^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ 및 $B_s \to D_s^{(*)}\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 $q^2$-의존적 브링크링 분율과 각도 관측량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 $\tau$-편광 및 전방-후방 비대칭이 네 개의 $q^2$ 구간에서 다양한 유형의 새로운 물리학 연산자에 대해 상대적으로 얼마나 민감한가?
• RQ4 두 개의 실수 윌슨 계수 조합 중에서 브링크링 분율과 각도 관측량에서 표준모형에서 가장 큰 이격을 유도하는 조합은 무엇인가?
• RQ5 $\bar{B} \to D^{**}\tau\bar{\nu}_\tau$ 붕괴에서 $D^{*}_{0}, D_{1}^{*}, D_{1}, D_{2}^{*}$ 공명 기여는 새로운 물리학에 대해 어떻게 반응하는가, 특히 $R_{D^{**}}$에서 어떤가?

주요 결과

• 복소수 $S_R$ 및 $T$ 코어링이 표준모형 값에서 가장 큰 이격을 각도 관측량에 유도하며, 특히 $q^2 \in [5,7]$ 및 $[7,9]$ 구간에서 두드러지게 나타난다.
• 실수 $S_R$ 코어링이 모든 $q^2$ 구간에서 $R_{D^{**}}$에 가장 큰 상대적 변화를 유도하며, 최고 구간에서 값이 $3.61$에 도달하여 표준모형 예측값인 $0.526$를 훨씬 초월한다.
• 실수 윌슨 계수의 $S_L \& S_R$ 및 $S_L \& T$ 조합이 브링크링 분율과 각도 관측량에서 가장 큰 이격을 유도하며, 다른 이중 계수 조합보다 실험 데이터에 더 잘 맞는다.
• 복소수 $S_L$ 코어링이 다른 복소수 코어링보다 특정 각도 관측량에 더 큰 영향을 미치며, 특히 $[7,9]$ $q^2$ 구간에서 두드러진다.
• 전방-후방 비대칭은 $V_L$ 코어링에 민감하지 않으며, $\tau$-편광 비대칭은 벡터형 코어링과 독립적임을 확인하여 편광이 스칼라 및 텐서 상호작용에 특별히 민감함을 강조한다.
• 실수/복소수 $S_R$의 최적 피팅 값이 $\chi^2/{\rm d.o.f.}$를 최소화하지는 않으며, 이는 $S_R$가 개별적으로 강력한 영향을 미치지만, $S_L \& S_R$와 같은 다른 조합이 전체적으로 더 나은 데이터 피팅을 제공함을 시사한다.