[논문 리뷰] Lepton Flavor Universality tests through angular observables of $\overline{B} o D^{(\ast)}\ell\overlineν$ decay modes

Damir Bečirević, Marco Fedele외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 77인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 lepton flavor universality violation (LFUV)를 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 붕괴에서 각도 관측량을 사용하여 $R(D^{(*)})$ 비율을 초월해 테스트하는 것을 제안한다. 모든 허용된 로렌츠 구조를 포함하는 일반적인 저에너지 효과 이론을 구성함으로써, $R(D^{(*)})$가 SM에 부합하더라도 각도 분포 측정이 뉴 피직스(NP) 기여의 로렌츠 구조를 구별할 수 있음을 보여준다. 핵심 결과는 $R(D^{(*)})$로만 측정할 수 없는 NP 효과를 각도 관측량이 탐지할 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

We discuss the possibility of using the observables deduced from the angular distribution of the $B o D^{(\ast)} \ell\barν$ decays to test the effects of lepton flavor universality violation (LFUV). We show that the measurement of even a subset of these observables could be very helpful in distinguishing the Lorentz structure of the New Physics contributions to these decays. To do so we use the low energy effective theory in which besides the Standard Model contribution we add all possible Lorentz structures with the couplings (Wilson coefficients) that are determined by matching theory with the measured ratios $R{(D^{(\ast)})}^\mathrm{exp}$. We argue that even in the situation in which the measured $R{(D^{(\ast)})}^\mathrm{exp}$ becomes fully compatible with the Standard Model, one can still have significant New Physics contributions the size of which could be probed by measuring the observables discussed in this paper and comparing them with their Standard Model predictions.

연구 동기 및 목표

• $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 붕괴에서 각도 관측량이 $R(D^{(*)})$ 비율을 초월해 lepton flavor universality violation (LFUV)에 대해 추가적인 민감도를 제공할 수 있는지 조사하기.
• $R(D^{(*)})$ 측정치가 표준모형(SM)과 일치하더라도 각도 분포를 통해 뉴 피직스(NP) 기여의 로렌츠 구조를 유일하게 식별할 수 있는지 확인하기.
• 모든 가능한 로렌츠 불변 NP 연산자(벡터, 아킬리어-벡터, 스칼라, 페시스칼라, 텐서)를 포함하는 일반적인 저에너지 효과 이론을 구축하여 NP 효과를 체계적으로 탐색하기.
• 3세대 렙톤과의 NP 결합에 대해 각도 관측량의 민감도를 평가하기 (전자 및 뮤온과의 결합은 무시 가능하다고 가정함).
• $|V_{cb}|$ 불확실성 또는 형상 인자 가정 없이도 각도 분포 기반으로 다양한 NP 모델을 구별할 수 있는 프레임워크를 제공하기.

제안 방법

• $b \to c\ell\bar{\nu}$ 붕괴를 위한 일반적인 저에너지 효과 이론장 이론을 수립하고, 모든 로렌츠 불변 연산자(벡터, 아킬리어-벡터, 스칼라, 페시스칼라, 텐서)를 포함하며, 윌슨 계수를 자유 매개변수로 설정한다.
• 실험적 $R(D^{(*)})$ 측정치와 효과 이론을 매칭하여 NP 윌슨 계수를 제약 조건으로 설정하며, 이는 $\tau$ 렙톤과의 결합에서 기인한 편차만을 가정한다.
• 9개의 독립된 각도 관측량(전방-후방 비대칭, $\lambda_\ell$-비대칭, $R_{L,T}$, $R_{A,B}$ 비율 포함)으로 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 붕괴의 전체 각도 분포를 유도한다.
• 제약된 윌슨 계수를 사용하여 각각의 각도 관측량에 대한 SM 예측과 NP 기여를 계산하며, 몬테카를로 샘플링을 통해 불확실성 전파를 수행한다.
• $R(D)$ 및 $R(D^*)$ 실험적 값에 대한 피팅을 수행하여 최적의 NP 결합 상수를 도출하고, 이에 따라 모든 각도 관측량의 예측값을 계산한다.
• 결과로 도출된 NP 예측값을 SM 값과 비교하여, $R(D^{(*)})$가 SM에 부합하는 경우에도 관측 가능한 편차를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\bar{B} \to D^{(*)}\ell\bar{\nu}$ 붕괴에서 각도 관측량이 lepton flavor universality violation에 기여하는 뉴 피직스(NP)의 로렌츠 구조를 식별할 수 있는가?
• RQ2 $R(D^{(*)})$가 표준모형(SM)과 완전히 일치하더라도 각도 관측량은 여전히 뉴 피직스 효과를 탐지할 수 있는가?
• RQ3 효과 이론 프레임워크에서 특정 NP 연산자(예: 벡터, 스칼라, 텐서)에 대해 어떤 각도 관측량이 가장 민감한가?
• RQ4 $R(D^{(*)})$ 데이터로 제약된 경우, 다양한 NP 시나리오($g_V$, $g_A$, $g_S$, $g_T$ 등)에서 각도 관측량의 예측값은 어떻게 다를까?
• RQ5 각도 분포 분석은 $R(D^{(*)})$로만는 구별할 수 없는 NP 모델 간의 애매함을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• $R(D^{(*)})$가 표준모형(SM)과 완전히 일치하더라도, $A_{FB}^{D^*}$, $A_{\lambda_\ell}^{D^*}$, $A_5$와 같은 각도 관측량은 여전히 뚜렷한 뉴 피직스 효과를 드러낼 수 있다.
• $A_{\lambda_\ell}^{D^*}$ 비대칭은 NP 기여에 특히 민감하다: $g_S$의 경우 $-0.25 \pm 0.05$, $g_T$의 경우 $0.22 \pm 0.02$를 예측하며, SM 값인 $0.47 \pm 0.02$와는 크게 다름.
• $R(R_{L,T})$ 관측량은 스칼라 및 텐서 NP에 매우 민감하다: $g_S$의 경우 $0.99 \pm 0.04$, $g_T$의 경우 $0.46 \pm 0.02$를 예측하며, SM 값인 $0.79 \pm 0.02$와는 현저히 다름.
• $A_5$ 비대칭은 NP에 대해 강력한 민감도를 보인다: $g_V$의 경우 $1.24 \pm 0.02$, $g_A$의 경우 $0.71 \pm 0.03$, $g_T$의 경우 $0.55 \pm 0.05$를 예측하며, SM 값인 $1.15 \pm 0.02$와는 다름.
• $A_7$ 및 $A_8$ 관측량은 스칼라 및 텐서 NP에 민감하다: $D(A_7)$는 $g_P$의 경우 $-5.6 \pm 0.2 \times 10^{-3}$, $g_{S_R}$의 경우 $-2.2 \pm 0.1 \times 10^{-3}$를 예측하며, $A_9$는 $g_{S_R}$의 경우 $-0.047 \pm 0.001$를 예측한다.
• $A_{FB}^{D^*}$ 전방-후방 비대칭은 NP에 대해 강력한 민감도를 보인다: $g_A$의 경우 $-0.37 \pm 0.04$, $g_V$의 경우 $0.37 \pm 0.03$를 예측하며, SM 값인 $0.23 \pm 0.04$와는 다름.